Sechage

Chap. 2. SÉCHAGE Définitions et applications Comportement général du séchage Méthodes de séchage Appareillage Problèmes rencontrés Transfert de matière Transfert d’énergie

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OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna

2.3. Méthodes de séchage Entraînement (convection)

Un liquide ne se vaporise que si sa pression

Ébullition (conduction)

de vapeur est supérieure à la pression à

Atomisation

laquelle se trouvent ses vapeurs dans la phase gazeuse

Rayonnement

Le séchage par entraînement (convection) Représente le mode de séchage le plus fréquent dans l’industrie chimique L’eau – le liquide à éliminer; l’air – le gaz d’entraînement Réalisation: le solide à sécher en contact avec un courant gazeux chaud (le plus sec possible) – le gaz fournit la chaleur nécessaire à l’évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée La température du gaz diminue entre l’entrée et la sortie alors que c’est le contraire pour le solide Le système évolue vers un équilibre - la pression partielle des vapeurs du liquide tend vers une valeur normale C.4 - 2012


2.3.1. Séchage par entraînement Séchage co-courant Air chaud et sec L’air se refroidit et s’humidifie

Air moins chaud et humide

Séchage contre-courant

Solide froid et humide

Air chaud Solide froid et moins humide et humide

Le solide se déshydrate et s’échauffe

Solide sec et vulnérable

Air chaud et sec

Il faut beaucoup d’air pour déshydrater le produit Procédé au rendement médiocre

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L’air se refroidit et s’humidifie

Le solide se déshydrate et s’échauffe

Solide sec mais fragile

Meilleur transfert de chaleur et d’humidité mais un produit altéré par la forte chaleur de l’air chaud


2.3.1. Séchage par entraînement

Mise à température du solide

Séchage à vitesse constante Séchage à vitesse décroissante

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Séchage à vitesse constante S’effectue de manière adiabatique – il n’y a aucun échange de chaleur avec l’extérieur La chaleur latente de vaporisation de l’eau est entièrement fournie par le refroidissement de l’air chaud Le processus s’effectue donc à enthalpie constante - l’air chaud va donc évoluer sur une isenthalpe Pendant cette période la température du solide reste constante et égale à la température humide de l’air

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2.3.1. Séchage par entraînement Séchage à vitesse constante

Facteurs qui augment la cinétique Diminution de l’humidité absolue de l’air de séchage L’élévation de la température de l’air de séchage L’augmentation du coefficient de transfert thermique (augmentation de la vitesse de circulation de l’air) L’augmentation de la surface spécifique du solide ce qui entraîne une augmentation de la surface d’échange Pendant cette phase la nature du solide et sa structure interne (pores, interstices) n’interviennent pas C.4 - 2012



Séchage à vitesse décroissante L’air n’atteint jamais la température de saturation adiabatique

puisque la vitesse commence à décroître à partir d’une humidité Xc (humidité critique) et finit par tendre vers une vitesse nulle L’humidité superficielle n’est plus renouvelée assez rapidement car le séchage progresse, il faut alors éliminer l’eau provenant de l’intérieur du solide La vitesse s’annule quand l’humidité du solide devient égale à Xlim ce qui correspond à une valeur d’équilibre pour l’air de séchage utilisé Pendant cette phase les conditions opératoires liées à l’air perdent de leur importance - On assiste à un échauffement du solide

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2.3.2. Séchage par ébullition (conduction) Ce mode de séchage est tout à fait analogue à une évaporation Consiste à porter le produit à une température telle que la pression de vapeur du liquide volatil atteint la pression régnant dans l’appareil La température est obtenue par le contact avec une paroi solide portée à une température élevée par chauffage (fumées, vapeurs d’eau...) Dans ces conditions le liquide se vaporise et le système est formé par le solide en cours de séchage et par une phase gazeuse constituée par les vapeurs du liquide Le séchage par ébullition est souvent utilisé lorsque l’on a affaire à des liquides volatils autres que l’eau et devant être récupérés Il est également appliqué dans le cas du séchage de produits aqueux congelés (lyophilisation ou freeze drying)

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2.3.2. Séchage par ébullition (conduction) Les vapeurs formées sont soit aspirées (cas du séchage sous pression réduite qui abaisse la température d’ébullition), soit entraînées par un gaz de balayage dont le débit est très faible par rapport à celui utilisé dans le cas d’un chauffage par convection Le séchage sous pression réduite permet de traiter des produits facilement oxydables à une température élevée Il est aussi très intéressant pour le séchage des substances thermosensibles qui ne supporteraient pas longtemps une température élevée Dans le cas d’un séchage discontinu on retrouve (tout comme pour le séchage par convection) deux périodes : a) Une période à vitesse de séchage constant; b) une période à vitesse de séchage décroissant

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2.3.3. Séchage par atomisation Ce procédé est applicable directement à des solutions, des émulsions ou des suspensions fines L'idée de base - production de poudres qui se propagent très fortement à partir d'un liquide par évaporation du solvant Cette opération est obtenue en mélangeant un gaz chauffé à un liquide atomisé (vaporisé) de gouttelettes présentant un rapport masse / surface élevé, idéalement de taille égale, au sein d'une cuve (chambre de séchage), provoquant ainsi l'évaporation du solvant de manière uniforme et rapide par contact direct. Ces sécheurs fonctionnent en continu et s'appliquent à de grosses productions Ils ont l'inconvénient de nécessiter la vaporisation de très grandes quantités de solvants et consomment donc beaucoup d'énergie ce qui freine leur développement.

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2.3.3. Séchage par atomisation Applications Produits pharmaceutiques Amalgames osseux et dentaires Boissons Parfums, colorants et extraits de plantes Produits laitiers et à base d'œufs Plastiques, polymères et résines Savons et détergents Textiles et bien d'autres produits

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2.3.4. Séchage par rayonnement Ce mode de séchage convient aux produits en plaques ou en films (faible épaisseur) L'apport d'énergie s'effectue par ondes électromagnétiques générées soit par des dispositifs électroniques (micro-ondes) soit par élévation de la température d'un émetteur infrarouge. En infrarouge le chauffage se manifeste sur des épaisseurs très faibles (500 µm). Avec des micro-ondes on peut sécher à des épaisseurs plus importantes Le champ électromagnétique véhiculé par ces fréquences excite les molécules d'eau: l'agitation moléculaire qui en résulte provoque des chocs intermoléculaires Cela entraîne un échauffement du produit et donc la vaporisation des molécules d'eau Le séchage par micro-ondes est encore peu fréquent dans l'industrie chimique: il présente les avantages d'être propre et facile à réguler. De même son action s'effectue sur le volume du solide ce qui diminue les risques de croûtage en surface. C.4 - 2012


2.4. Appareillage Développement selon

les caractéristiques du produit à sécher le coût de séchage la sensibilité à la chaleur, à l’oxydation, etc.

Suivant le procédé

Continu discontinu

Suivant le mode de séchage

Classification

convection conduction rayonnement atomisation

Suivant le type de produits traités

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Bloc Poudre Pâte Pulpe film


2.4. Appareillage 1. Four à air chaud (étuve)

Sécheurs discontinus 2. Sécheur à chambres S’utilisent pour :1) le traitement de petites quantités de produits; 2) lorsque la composition et la structure du produit alimenté sont très variables; 3) le traitement de petites quantités de produits coûteux exigeant des conditions de séchage très particulières Inconvénient majeur: coût énergétique supplémentaire à chaque fin de cycle Fonctionnement: 1) par léchage (courant de gaz parallèle à la matière); 2) par traversée (courant de gaz perpendiculaire à la matière).

Un procédé continu se fera préférentiellement dans le cas d'une fabrication importante. C.4 - 2012


1.1. Four à air chaud (étuve) Enceintes fermées, de tailles variables, où l’air est chauffé est envoyé en dessous du produit à travers un plancher perforé Le produit est déposé en couche de 10 à 50 cm d’épaisseur sur des plateaux L’épaisseur de la couche peut varier - compromis entre le désir d'utiliser au maximum la capacité du séchoir et l'augmentation de la résistance au passage de l'air avec l'épaisseur - se traduit par une baisse de débit du ventilateur et ne permet pas d'obtenir le débit spécifique nécessaire pour assurer une bonne homogénéité de séchage

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1.1. Four à air chaud (étuve) On prévoit plusieurs couches de produit supportées chacune par un tamis L’air chaud après être passé sur la couche inférieure déjà partiellement sèche passe sur la ou les couches supérieures et quitte l’étuve à un degré hygrométrique relativement élevé Lorsque la matière se trouvant sur le plateau inférieur est sèche, on l’élimine et ainsi de suite Le débit d’air rapide et l’agitation permettent un séchage plus rapide et plus uniforme

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1.2. Sécheur à chambres Il est conçu de manière telle que l’air chaud circule au contact de la matière placée sur des plateaux, des tamis ou même suspendue Difficulté: arriver à avoir une bonne répartition de l’air On accole habituellement deux chambres de ce type de façon à ce qu’en fin de séchage l’air encore chaud et sec provenant d’une des chambres permettre de commencer le séchage dans la seconde

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1.2. Sécheur à chambres Début d’opération: chambre 1 - chargée et l’air chaud est envoyé par A et sort en B Lorsque le degré hygrométrique en B est suffisamment bas, on ouvre C et on ferme B L’air s’échappe en E après être passé dans la deuxième chambre On peut recycler une partie ou même la totalité de l’air lorsque son degré hygrométrique n’est pas suffisamment élevé à la sortie Économie importante de chaleur, sans freiner nettement le séchage si l’on se trouve dans la période de séchage fortement ralenti

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2.1. Tunnel de séchage Ce type de sécheur continu peut être long de 20 m et large de 3m Le produit est réparti à une épaisseur de 5 à 15 cm sur une bande transporteuse Souvent un tunnel de séchage est divisé en deux sections Au départ l’air est soufflé en dessous et par la suite au-dessus, dans le but d’éviter de souffler à l’extérieur le produit séché et d’uniformiser le séchage

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2.1. Tunnel de séchage Le solide humide alimenté par vanne rotative à écluses et déplacé par bande transporteuse La circulation d'air chaud à contrecourant du solide ou de manière perpendiculaire au produit se fait dans un tunnel formé en général par des caissons de section rectangulaire À chaque position dans le tunnel de séchage correspond une température et une humidité relative du produit et de l’air toujours constantes C.4 - 2012


2.2. Sécheur à tambour rotatif Applications Produits minéraux qui supportent des températures élevées Produits pulvérulents non collants

Long cylindre légèrement incliné tournant à l'intérieur d'une enceinte chauffée par des gaz de combustion d'un brûleur Le solide humide est alimenté par bande sans fin et descend sous l'action de la gravité et de l'entraînement Le mouvement de rotation permet le renouvellement du solide au niveau des surfaces chauffantes L’air chaud est alimenté à contre-courant C.4 - 2012


2.3. Sécheur à cylindres Applications Produits sous forme de film Papier, textile, matières plastiques

Cylindres creux animés d'un lent mouvement de rotation (vitesse comprise entre 10 et 30rpm) et chauffés à l'intérieur par un fluide caloporteur La matière à sécher s'écoule entre les cylindres sous forme d’une mince couche de matière liquide Le séchage se fait en moins de 90 secondes et la couche de produit est mince (2 mm en général), soit en un demi à trois quarts de tour Le produit est décollé des tambours à l’aide de couteaux racleurs et récupéré par des convoyeurs C.4 - 2012


2.3. Sécheur à cylindres

L’évaporation de l’eau se fait quand l’aliment atteint la température d’ébullition Ensuite la température du produit séché monte sur les cylindres ce qui peut endommager les constituants thermosensibles Pour éviter cela les cylindres peuvent être opérés sous vide ou ils peuvent être jumelés à un refroidisseur à lit fluidisé pour refroidir rapidement le produit ceci est surtout utilisé dans le cas des produits thermoplastiques qui sont broyés à la sortie du refroidisseur C.4 - 2012


2.4. Sécheur à lit fluidisé Applications Produits sous forme de film Papier, textile, matières plastiques

L’alimentation du solide à sécher se fait en continu par vis sans fin L’alimentation en air chaud est répartie uniformément sur toute la surface du lit par une grille de distribution Un courant d'air chaud est soufflé sous la couche de matière et un lit fluidisé s'établit C.4 - 2012


2.4. Sécheur à lit fluidisé

L’agitation forte et une mise en contact intime de l'air et du solide, favorisent le séchage; les échanges thermiques sont alors intenses et l'efficacité du séchage est très grande Un cyclone est placé à la sortie d'air humide pour séparer le solide éventuellement entrainé (de plus faible granulométrie) C.4 - 2012


2.5. Sécheur à atomisation Il permet de regrouper en une seule opération la suite d'opérations de cristallisation, de filtration et d'essorage Le système de pulvérisation en très fines gouttelettes du liquide préchauffé conditionne l'efficacité du séchage Il est constitué d'une turbine tournant à grande vitesse L'air est introduit chaud par un disperseur dans la chambre Pendant son trajet dans l'appareil, toute l'eau est évaporée par l'air

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2.5. Sécheur à atomisation Phases Préparation de la matière : homogène, pompable et exempte de toutes impuretés, en solution, suspension ou sous forme de pâte Atomisation = transformation de la matière en gouttelettes = l'étape la plus critique de tout le procédé -le degré d'atomisation contrôle le taux de séchage et par conséquent la taille du sécheur Atomisation par buse sous pression –on force le liquide à travers un orifice - méthode efficace qui permet une distribution de particules de taille la plus petite possible Techniques Atomisation par buse à double fluide : La pulvérisation est créée en d'atomisation mélangeant la matière à un gaz comprimé. La méthode énergique la moins efficace. Utile pour réaliser des particules extrêmement fines. Atomisation par force centrifuge : La pulvérisation est créée en passant la matière à travers ou par-dessus un disque rotatif. La méthode la plus résistante à l'usure et qui peut généralement fonctionner sur des périodes plus longues C.4 - 2012


2.5. Sécheur à atomisation Phases Séchage : Phase à taux constant qui permet à l'humidité de s'évaporer rapidement depuis la surface de la particule. Elle est suivie par une période de baisse du taux au cours de laquelle le séchage est contrôlé par diffusion de l'eau vers la surface de la particule. Séparation de la poudre à partir d'un gaz humide : Doit être effectuée d'une manière économique (par exemple en recyclant le milieu séchant) et exempt de polluant. De fines particules sont généralement ôtées avec les cyclones, filtres à toile, précipitateurs ou pulvérisateurs d'eau

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Annexes aux sécheurs Filtres – maintenir l’air de séchage propre (exempt des bactéries et microorganismes) Ventilateurs – transport d’air (énergie mécanique nécessaire à sa traversée) Déshumidificateur d’air – abaisse l’humidité de l’air de séchage avant son entrée dans le séchoir (condensation –refroidissement ou adsorption) Réchauffeurs d’air –optimiser la déshumidification de l’air - aérothermes (tubes munis d'ailettes ) – un échangeur de chaleur Récupération thermique – recyclage de l’air à la sortie du sécheur s’il est peu chargé en humidité –mélange avec l’air neuf ou préchauffer l’air neuf

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2.5. Problèmes rencontrés Risques d’explosion si le solvant est un composé organique Normes de rejets pour l’air à la sortie du séchoir Récupérer le solvant s’il est organique Ne pas dépasser la concentration limite pour les poussières de solides entraînées avec le gaz Séchage par diffusion – processus long – surface extérieure séchée mais l’intérieur humide Temps de séchage par atomisation – difficile à prédire Un séchage inégal – déformation du produit

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2.6. Transfert de matière

Rapport massique en liquide à l'entrée: XE Liquide entrant avec le solide: M XE Solide+liquide entrant: M(1+XE) Rapport massique en liquide : XS

V = M(XE - XS )

Liquide sortant avec le solide: M XS Solide+liquide sortant: M(1+XS) C.4 - 2012


2.6. Transfert de matière Pourcentages : Base humide-base sèche Ex: Soit un échantillon de 100 g de panneau mural contenant 90 g de solide et 10 g d’humidité

% humidité (base humide) =

10 g eau = 10% 100 g bois humide

10 g eau % humidité (base sèche) = = 11,11% 90 g bois sec En absence d’indication, il s’agit toujours de la base humide

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Exercice d’application 2.1 On désire sécher 250 kg d’un produit chimique contenant 15 % d’eau (base humide) jusqu’à ce qu’il contienne seulement 3% d’eau (base sèche). Combien d’eau (kg) doit-on enlever? m = 218,875 kg solide

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Réponse: 31,125 kg H2O


Exercice d’application 2.2 Un séchoir à atomisation reçoit 5 000 lbm/h d’une solution de NaOH à 2% et concentre cette solution (par évaporation d’une partie de l’eau) jusqu’à ce qu’elle contienne 20% de NaOH. Trouver : a) le débit (lbm/h) de la solution concentrée obtenue; b) combien d’eau on doit évaporer, en lbm eau/lbm NaOH solide traité? Réponse: a) 500 lbm/h solution concentrée b) 45 lbm eau/lbm NaOH traité

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Exercice d’application 2.3 On alimente une certaine quantité de gâteau humide, contenant 80 % d’eau à un séchoir à air chaud. À la fin de l’opération de séchage, on obtient un gâteau sec contenant 40% d’eau. On a constaté que 200 lbm d’eau ont été enlevés du gâteau humide lord du séchage. Quelle est la quantité (en lbm) du gâteau humide alimentée au séchoir? m1 = 300 lbm gâteau humide

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2.7. Transfert d’énergie Enthalpie de l’air à l’entrée + Enthalpie du produit à l’entrée = Enthalpie de l’air à la sortie + Enthalpie du produit à la sortie + les pertes d’énergie Le débit du produit à l’entrée :

Le débit du produit à la sortie :

(2.1)

(2.1)

m& P1 = ( M 1 + 1) ⋅ m& s

m& AS ⋅ ha1 + m& P1⋅ ⋅ C p1 ⋅ Tp1 = m& AS ⋅ ha 2 + m& P 2⋅ ⋅ C p 2 ⋅ Tp 2 + Q& p

(2.3)

(2.4)

m& P 2 = ( M 2 + 1) ⋅ m& s

s

ha1 = 2499,6 ⋅ H1 + (1,005 + 1,881⋅ H1 ) ⋅ Ta1 ha 2 = 2499,6 ⋅ H 2 + (1,005 + 1,881⋅ H 2 ) ⋅ Ta 2

ha1= Enthalpie de l’air à l’entrée du sécheur (kJ/kgAS) ha2= Enthalpie de l’air à la sortie du sécheur (kJ/kgAS) hP1= Enthalpie de l’air à l’entrée du sécheur (kJ/kgAS) hP1= Enthalpie de l’air à la sortie du sécheur (kJ/kgAS) C.4 - 2012


2.7. Transfert d’énergie m& AS = débit d’air sec (kg/s) m& s = débit de matière sèche à l’entrée (kg m.s/s)

m& P1 = débit massique du produit à l’entrée (kg/s) m& P 2 = débit massique du produit à la sortie (kg/s)

CP1 = chaleur massique du produit à l’entrée (kJ/Kg.°C) CP2 = chaleur massique du produit à la sortie (kJ/Kg.°C) TP1 = température du produit à l’entrée (°C) TP2 = température du produit à la sortie (°C) M1 = teneur en eau du produit à l’entrée (kg eau/kg produit sec) M2 = teneur en eau du produit à la sortie (kg eau/kg produit sec)

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Exercice d’application 2.4 Un sécheur à lit fluidisé à contre-courant déshydrate des levures de boulangerie de 70 % d’eau à 4 %. L’air utilisé à l’entrée a Ta1 = 80 °C et H1 = 0,01 kg eau/kgAS et quitte le sécheur à Ta2 = 40 °C. Le produit à l’entrée est à TP1 = 20 °C et il a un débit massique de 1800kg/h; sa chaleur massique est de 3559 J/kg.°C. À la sortie, le produit est à TP2 = 40 °C et sa chaleur massique est de 1926 3559 J/kg.°C. Durant le séchage, il n’y a pas de perte de chaleur à travers les parois du sécheur. Calculer le débit d’air sec nécessaire au séchage.

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