La génération et la distribution de vapeur propre pour les installations HVAC dans l’industrie pharmaceutique

Depuis quelque temps maintenant, l’expression «vapeur propre» a attiré l’attention des techniciens qui utilisent de la vapeur pour diverses applications dans l’industrie pharmaceutique. Ces termes sont utilisés pour se référer soit à un fluide caloporteur ou soit à une source capable de fournir une humidité spécifique aux flux d’air sec dans les systèmes CVC des installations pharmaceutiques. Le but de cet article est de rapporter l’importance de la qualité de la vapeur pour les installations CVC, la réglementation actuelle et les systèmes de production qui représentent actuellement les équipements les plus avancés dans le contrôle d’humidité de l’air.

Vapeur de chaudière 

La technologie CVC est souvent dérivée de la technologie appliquée aux processus industriels. L’alimentation de la vapeur d’eau, l’utilisation d’hydrateurs d’air pour atteindre un niveau d’humidité relative contrôlé dans l’environnement occupé par l’homme, a commencé à augmenter en popularité au début des années 1970. Ce contrôle de l’humidité est devenu de plus en plus important en Espagne jusqu’à ce que la réglementation nationale, publiée par le Règlement sur les installations de chauffage dans les bâtiments de 1997, rende obligatoire le contrôle de l’humidité relative dans tous les bâtiments publics. Au cours des premières années de contrôle de l’humidité de l’air, la première configuration de l’hydrateur d’air était celle indiquée sur le schéma 1. Les systèmes pour alimenter la vapeur d’eau à l’air sec ont d’abord été conçus comme un complément aux réseaux centralisés d’eau de chaudière conçus pour le chauffage ou les procédés industriels à l’aide d’hydrateurs qui permettaient de traiter une partie de cette vapeur sous pression afin de pouvoir l’injecter dans les conduits d’air primaires en hiver. Ce type d’équipement est utilisé depuis plus de quarante ans avec une très bonne précision, une grande durabilité et pratiquement aucun entretien.

Fig. 1: Functional model showing how a boiler steam injection air humidifier works
Fig. 1: Functional model showing how a boiler steam injection air humidifier works

Ces systèmes dont le modèle fonctionnel est représenté dans le schéma 1 consistent en une soupape réductrice pour déplacer la vapeur de la chaudière à une pression réglable dans les systèmes CVC (de 1 à 15 bars), un petit filtre en forme de Y pour filtrer la vapeur du réseau (1 ), une ou plusieurs lances de vapeur avec une enveloppe chauffante (1) à travers laquelle la vapeur sous pression s’écoule pour éviter la condensation de la vapeur que nous injectons, un séparateur de vapeur (2) qui sépare le liquide de la vapeur sèche (3) par la force centrifugeuse qui produit le filage de la vapeur à l’aide d’un déflecteur, une admission de vapeur au centre du séparateur, une soupape de commande (4) qui module l’injection de vapeur selon la demande et rétablit la pression de la vapeur à une pression presque atmosphérique. Enfin, nous avons la lance à vapeur ou les lances (selon la charge de la vapeur à l’unité CVC et la distance d’absorption souhaitée / calculée) qui injecte la vapeur dans l’air sec par des buses thermoplastiques (5) calibrées pour éviter la condensation et le bruit. La vapeur est séparée du condensat (6) au moyen d’un purgeur.

 

 Vapeur de qualité sanitaire / vapeur proprem

Entre la fin du siècle dernier et le début de celui-ci, un certain nombre d’études sur la santé et l’hygiène ont révélé que les composés organiques volatils qui pénétraient la tuyauterie de fer de la vapeur de chaudière pour l’empêcher de corroder sont nocifs pour la santé humaine. Ces études ont déterminé que les amines utilisées pour protéger les réseaux de tuyauterie avaient un effet toxique sur la santé des utilisateurs qui respiraient l’air humidifié dans leurs lieux de travail et les bâtiments où ce type d’hydrateur était utilisé.

Fig.2. Diagram of the installation in open boiler steam networks.
Fig.2. Diagram of the installation in open boiler steam networks.

Il y a eu un changement dans la loi depuis que le problème a été découvert. Tous les réseaux de vapeur de chaudières utilisés pour l’humidification de l’air doivent utiliser de la vapeur de qualité sanitaire (règlement espagnol RITE 2007 IT 1.1.4.3.3), c’est-à-dire la vapeur qui provient d’eau de qualité sanitaire qui est clairement réglementée par le décret royal 140 / 2003, qui a adopté la qualité de l’eau pour les critères sanitaires de consommation humaine. Bien sûr, cela exclut les composés toxiques qui protègent les réseaux de la corrosion. Pour éviter toute contamination par la rouille et pour prolonger autant que possible la durée de vie de l’installation, il est possible d’opter entre deux systèmes pour produire et distribuer de la vapeur de qualité sanitaire:

 

  1. Un générateur pressurisé à vapeur propre:

La vapeur propre sans composés chimiques est utilisée dans l’industrie pharmaceutique pour éviter tout contact avec cette vapeur ou son condensat causant toute contamination. La production de vapeur propre pressurisée implique l’utilisation de générateurs spécifiques avec tous les composants du réseau de vapeur et de condensat (vannes de coupure, régulation, réducteurs, filtres, purgeurs, etc.) en acier inoxydable de la plus haute qualité. Une vapeur propre de cette qualité, lorsqu’elle est pressurisée, peut facilement provoquer une corrosion du réseau de tuyauterie si elle n’est pas fabriquée avec des matériaux de la plus haute qualité et, en outre, la vapeur peut facilement être contaminée si des matériaux résistants ne sont pas utilisés. Lorsque la vapeur est également utilisée pour l’humidification de l’air, tous les composants de l’hydrateur doivent être fabriqués en acier inoxydable de la plus haute qualité. Ces systèmes sont généralement basés sur un réseau de vapeur de chaudière, puis une chaudière secondaire est ajoutée dans la zone requise qui effectue l’échange avec de l’eau exemptée d’additifs pour produire de la vapeur sous pression propre et la répartir dans les zones requises, l’injecter dans les conduits ou les unités de CVC de la manière décrite ci-dessus pour les hydrateurs utilisant l’injection de vapeur de chaudière, mais en prenant soin que tous les composants soient en acier inoxydable de la plus haute qualité. En fonction de la façon dont nous utilisons de la vapeur (si elle est uniquement destinée à être utilisée dans les installations CVC ou si elle est également utilisée pour des procédés de production, des stérilisations ou d’autres applications dans l’usine pharmaceutique), la vapeur de qualité sanitaire peut tolérer un approvisionnement en eau avec un traitement de déminéralisation supplémentaire par osmose inverse, selon les besoins, afin d’avoir une eau plus ou moins propre. Comme on peut le voir, plus la qualité de l’eau est élevée, plus les coûts de production, de distribution et d’injection sont élevés. Dans le schéma, on peut voir la chaudière secondaire et le réseau de vapeur propre sous pression.

Fig. 3 Sanitary grade steam network with secondary boiler and injectors.
Fig. 3 Sanitary grade steam network with secondary boiler and injectors.
  1. Production de vapeur propre et sèche saturée et distribution sans condensats:

Si ce qui est vraiment important, c’est l’air conditionné de l’air dans l’usine pharmaceutique, une autre option qui est de plus en plus adoptée par de nombreux grands laboratoires et hôpitaux, compte tenu des coûts du système précédent, consiste à incorporer des hydrateurs qui échangent de la vapeur de chaudière (qui n’est pas propre, avec des additifs, dans un réseau économique en circuit fermé) avec de l’eau sanitaire ou déminéralisée si nécessaire par l’espace clos ou la précision du système. Ce type d’équipement produit de la vapeur sèche saturée sous un niveau de pression supérieur à celui du conduit, mais très proche de l’atmosphère et elle est ensuite transportée vers les conduits ou les unités de CVC par des systèmes de distribution de vapeur avec une condensation pratiquement nulle. Ces systèmes produisent de la vapeur en chauffant de l’eau et sont capables de gérer tout ce qui concerne le traitement de l’eau dans leur réservoir, en contrôlant l’utilisation de l’eau de chaudière en fonction de la demande d’humidification et en produisant également la vapeur appropriée pour le flux d’air sec pour l’adapter à une bonne dispersion du flux dans le système.

Concevoir une bonne conduction de vapeur à partir de l’hydrateur est essentiel pour s’assurer qu’il n’y a pas de pertes importantes en raison de la condensation. L’emplacement de l’unité doit faire l’objet d’une attention particulière afin que l’itinéraire de conduction soit aussi court que possible. S’il n’est pas possible de le concevoir avec moins de 3 mètres, il est conseillé d’isoler le conduit de vapeur saturée sèche à l’aide de tubes en cuivre ou en acier inoxydable. Quand il est de moins de trois mètres de long, on peut utiliser des tubes en caoutchouc qui sont renforcés pour des températures élevées et résistantes aux flexions.

Fig. 4. Generación de vapor de calidad sanitaria a través de humidificadores autónomos. En la figura se representa el aporte de agua potable (1), la toma de vapor de red (2), el retorno de los condensados (3) y la conducción / distribución de vapor limpio al conducto de aire seco (4).
Fig. 4. Generación de vapor de calidad sanitaria a través de humidificadores autónomos. En la figura se representa el aporte de agua potable (1), la toma de vapor de red (2), el retorno de los condensados (3) y la conducción / distribución de vapor limpio al conducto de aire seco (4).
Steam production 5-726kg/h graphic | Fisair

En plus de conduire la vapeur à l’unité CVC ou au conduit d’air, il est essentiel d’examiner la dispersion de la vapeur propre dans l’air sec. Si cela n’est pas fait, on peut avoir des condensations dans le réseau de conduits d’air. Ces condensations peuvent être des foyers importants de contamination. Les dépôts d’eau dans des endroits où ils ne sont pas destinés à se produire selon la conception sont une source de problèmes de santé indésirables pour les installations de climatisation.D’autre part, en prenant chaque jours de plus en plus d’importance, nous constatons que ces cas de condensation provoquent des pertes d’énergie importantes dans la production de vapeur et dans les stations d’épuration. Produire de la vapeur nécessite 2326 kJ d’énergie par kilogramme de vapeur dont nous avons besoin et traiter l’eau afin qu’elle soit optimal pour l’humidification consomme également beaucoup d’énergie. Si nous ne minimisons pas ces condensations, le coût énergétique de l’installation peut augmenter.

 

Pour étudier la distance de l’absorption de vapeur dans l’air, il faut connaître plusieurs paramètres du système: flux et conditions thermo-hygrométriques de l’air avant que la vapeur ne soit alimentée, la quantité de vapeur fournie et les dimensions de la section de mouillage de l’unité ou du conduit AC. Selon tous ces paramètres et sur le système de dispersion choisi, nous aurons une distance d’absorption qui peut varier de 15 cm à plus de 2 mètres. Il existe différents systèmes de dispersion de vapeur selon les besoins impliqués, comme le montre l’illustration suivante:

Fig. 5. Different steam dispersion systems and their typical absorption distances (data for guidance only).
Fig. 5. Different steam dispersion systems and their typical absorption distances (data for guidance only).

Un contrôleur qui intègre des équipements de ce type gère la production de vapeur afin de répondre avec précision à la demande de la pièce ou du processus. Il gère également l’eau stockée dans le réservoir pour la maintenir en parfait état en termes de qualité et de teneur en minéraux dissous. Enfin, il parvient à perfectionner l’absorption de la vapeur dans le flux d’air sec, empêchant ainsi les condensations qui, par ailleurs, entraîneraient de grandes consommations d’énergie et des problèmes sanitaires en raison de la production de vapeur propre dans le système précédent.

 

Conclusions:

La production de vapeur est de plus en plus demandée dans une multitude d’industries pharmaceutiques pour différentes applications. En cas de besoin de vapeur pour les procédés de production (en contact avec le produit) dont l’eau nécessite une qualité extraordinairement élevée, il est possible que les systèmes de production et de transport de vapeur fabriqués avec des matériaux de la plus haute qualité et à prix élevés soient nécessaires.

 

Pour le cas de procédés où la vapeur est utilisée à des fins de CVC et en tant que fluide caloporteur pour d’autres procédés, il a été démontré par la pratique déjà mis en œuvre dans l’industrie que la solution globale peut appeler à remplacer la vapeur de chaudière par de l’eau de qualité sanitaire.

 

Bibliographie:

  • HARRIMAN, Lew; BRUNDRETT, Geoff; KITTLER, Reinhold: “Humidity control design guide”. Atlanta, EEUU. 2006. Editorial ASHRAE.
  • LATHAM, Tim: “Clean steam in the pharmaceutical industry”. PDH Course K109. PDH Online center. EEUU. 2004
  • RITE y normas UNE de aplicación. Barcelona. Editorial CEYSA
  • Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios.
  • MORTON, B. W: “Humidification Handbook”. 1998. Ed. DriSteem.
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