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UFA 2 SECHAGE
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SECHAGE
Savoir S.3 : Opérations unitaires
S.3.6. Evaporation - Séchage :
Notion de taux d’humidité
Techniques de séchage : vaporisation de solvant, atomisation fluidisation,
lyophilisation
Objectif de formation :
Savoir se servir du diagramme l’air humide.
Résoudre un bilan matière et un bilan thermique
Calculer une puissance thermique
1 INTRODUCTION
A. Exemples d’applications industrielles du séchage
Le séchage dans l’industrie du procédé trouve son utilité dans les cas suivants :
Séchage d’un produit fini pour éliminer le solvant de procédé (procédé de
polymérisation des élastomères)
séchage d’un réactif avant synthèse
séchage des matériaux biologiques dans l’industrie agro-alimentaire pour faciliter le
transport et augmenter la durée de conservation du produit (arrêt du développement
des micro-organismes en dessous de 10% en masse d’eau dans le produit).
Exemples de produits séchés dans l’industrie agro-alimentaire :
- fourrages (luzerne, pulpe de betteraves)
- farines animales (bétail, poisson)
- graines de céréales
- produits laitiers
- jus de fruits
- fruits et légumes
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B. Définition du séchage par voie thermique
Le séchage par voie thermique est l’opération qui consiste à séparer d’un solide, des
quantités relativement faibles de liquide (eau ou solvant organique) par vaporisation.
C. Autres définitions du séchage
Lorsque l’on parle d’opération de séchage sans plus de précision, c’est du séchage par voie
thermique qu’il s’agit. Cependant le terme séchage peut s’appliquer à d’autres opérations.
Au sens large, le séchage est l’opération qui consiste à séparer un liquide d’un solide par
quelque procédé que ce soit.
séchage mécanique : Dans certains cas, tout ou partie du séchage peut être effectué
par des moyens mécaniques (pressage, centrifugation). Ces procédés sont meilleur
marché (en investissements et en coûts de fonctionnement) que les moyens thermiques
mais ne permettent pas d’atteindre un titre massique en eau inférieur à 60%. Ces
procédés mécaniques permettent donc un premier séchage à moindre coût des produits
avant un éventuel séchage thermique plus poussé.
Ainsi, le séchage des pulpes de betterave s’effectue d’abord à l’aide de presses à vis qui
amène le taux d’humidité en poids de 94% à 80%. On passe ensuite les pulpes dans un séchoir
à tambour rotatif qui les amène à 12% d’humidité environ, taux en équilibre avec l’air
ambiant.
séchage par adsorption : lorsqu’une solution contient des traces d’eau à éliminer, on
éliminer cette eau en la faisant adsorber par un composé solide hydrophile (alumine
Al2O3).
séchage par absorption : séchage de l’air de combustion du souffre dans la
fabrication de l’acide sulfurique. Cet air doit être séché pour éviter la formation
d’acide sulfurique au niveau du four et ainsi prévenir les risques de corrosion des
installations aval. L’air est séché dans une colonne d’absorption à contre courant
d’acide sulfurique concentré.
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Exemples d’application :
ÉLASTOMERES SBR
Fabrication de lait en poudre
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2 RAPPELS
A. Taux de matière sèche, taux d’humidité
Le taux de matière sèche (TMS) est le titre massique en solide dans le produit à sécher.
masse de matière sèche
masse de produit à séchermsT
Le taux d’humidité est la masse d’eau par kg de matière sèche.
masse d'eau
masse de produit à sécherhT
Attention : il existe une autre définition du taux d’humidité masse d'eau
masse de matière sèchehT
Cette eau peut être plus ou moins liée au solide. Avec un degré de liaison croissant, on trouve
l’eau d’humidité à la surface du solide, l’eau adsorbée physiquement et chimiquement et l’eau
d’hydratation en solution dans le solide. Plus l’eau à éliminer du solide est liée, plus le
séchage sera long, coûteux en énergie et nécessitera des températures élevées.
B. Transferts de chaleur par convection, conduction et rayonnement
Les techniques de séchage par voie thermiques doivent permettre d’apporter de la chaleur au
liquide à éliminer pour le vaporiser. Pour cela, en fonction des impératifs de production et des
choix économiques, différentes méthodes de transfert de chaleur peuvent employées.
transfert de chaleur par conduction : l’énergie de vaporisation est apportée à travers
une paroi.
transfert de chaleur par convection : l’énergie de vaporisation est apportée par un
fluide chaud en contact direct avec le produit à sécher
transfert de chaleur par rayonnement : l’énergie de vaporisation est apportée par un
rayonnement thermique de même nature que la lumière. L’énergie de rayonnement est
émise par un corps chauffé à haute température (résistance chauffante par exemple).
Plus le corps est chaud, plus la chaleur rayonnée est élevée.
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3 PRINCIPE OPERATIONNEL DES SYSTEMES DE SECHAGE
A. Généralités
Le séchage par voie thermique résulte d’un double transfert de matière et de chaleur.
MILIEU
EXTÉRIEURSÉCHAGE SOLIDE HUMIDE
Transfert de chaleur
Transfert de matière (eau d’humidité)
La chaleur fournie au solide humide permet à l’eau d’humidité de se vaporiser pour ensuite
être éliminée vers le milieu extérieur.
Le transfert de chaleur se fait à travers le milieu extérieur par convection, conduction ou
rayonnement. Puis, il se fait à travers les profondeurs du solide humide par conduction.
Le transfert de matière se fait en sens inverse. L’eau migre tout d’abord de l’intérieur du
solide vers sa surface par diffusion sous l’effet d’une différence de concentration entre
l'intérieur du solide et sa surface qui a commencé à sécher. Dans un deuxième temps, l’eau est
éliminée vers le milieu extérieur.
B. Séchage par ébullition
La technique consiste à porter la température du solide à sécher jusqu’à la température
d’ébullition. Pour entraîner les vapeurs hors du sécheur, on peut soit utiliser un gaz vecteur
balayant en continu l’enceinte du sécheur, soit travailler sous vide et donc en plus abaisser la
température d’ébullition.
SÉCHAGE PAR ÉBULLITION
Gaz vecteur Gaz vecteur + vapeurs
Produit humide Produit « sec »
ÉNERGIE
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Différentes techniques permettent d’apporter l’énergie nécessaire au séchage par ébullition :
Séchage par conduction :
Le transfert thermique vers le produit à sécher se fait par contact avec une paroi
chauffée.
Autres modes de séchage :
L’énergie nécessaire à la vaporisation de l’humidité n’est pas apportée au solide
humide par conduction à travers une paroi mais par d’autres moyens tels que :
rayonnement thermiques
micro ondes
courant électrique
Avantages de la technique par ébullition :
moins coûteux que le procédé par entraînement
permet, en travaillant sous vide, de récupérer un solvant pur (intéressant lorsque le
solvant n’est pas de l’eau)
permet de sécher des produits qui par leur nature ne peuvent être mis en contact avec
l’air (risque d’oxydation par l’oxygène de l’air).
Inconvénients :
on ne peut arriver jusqu’à un séchage complet du produit sans atteindre des
températures élevées qui risquent d'altérer la qualité du produit.
C. Séchage par entraînement
Ce mode de séchage est très répandu, le gaz de séchage (communément de l’air, ce peut être
aussi de l’azote ou de la vapeur d’eau surchauffée) assurant simultanément les transferts de
chaleur et de matière. L’eau d’humidité n’entre pas nécessairement en ébullition mais se
vaporise à la surface du solide, la pression partielle de l’eau dans le gaz de séchage étant
inférieure à la pression de vapeur saturante de l’eau d’humidité à la température du solide
humide pendant le séchage.
SÉCHAGE PAR
ENTRAÎNEMENT
Gaz chaud sec Gaz humide
Produit humide Produit « sec »
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4 CONDUITE ET OPTIMISATION DU SECHAGE PAR ENTRAINEMENT
On utilisera de l’air comme gaz de séchage.
A. Caractérisation de l’air : diagramme de Mollier.
Définitions
La pression de vapeur saturante (P0) d’une substance « i » est la pression de vapeur de « i »
régnant à l’équilibre au dessus du liquide « i » pur. La pression de vapeur saturante ne dépend
que de la nature de la substance et de la température.
T
P0, T
P0
T
Lorsque la pression de vapeur saturante à la température T est égale à la pression totale au
dessus du liquide, il y a ébullition. La température correspondante est appelée température
d’ébullition.
Humidité relative ou hygrométrie de l’air : c’est le rapport de la pression de vapeur d’eau
dans l’air et de la pression de vapeur saturante de l’eau à la température de l’air.
eau
o
eau
P
P TRH
Unité : %
Humidité absolue ou taux d’humidité de l’air : c’est la masse d’eau par masse d’air sec.
secair d' masse
eaud' massean
Unité : kg d’eau / kg d’air sec
Nota : L’humidité absolue ne dépend pas de la température de l’air alors que l’humidité
relative dépend de la température pour une composition fixée de l’air.
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Lecture du diagramme de Mollier
Le diagramme de Mollier est un diagramme à quatre entrées :
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On peut donc, pour un air donné, placer son point caractéristique sur le diagramme de Mollier
en connaissant deux de ces valeurs. Le diagramme nous permet alors d’en déduire les deux
autres.
Exemple : placer les points caractéristiques des airs suivants :
A0 : T = 21 °C A3 : T = 63 °C
HR = 45 % HR = 30 %
Circuit du séchage sur le diagramme de Mollier
SÉCHEURPRÉCHAUFFEUR
Air chaud A1 Air humide A3Air « sec » et froid
A0
Produit humide Produit « sec »
Placer le point A1 sur le diagramme de Mollier sachant que sa température est de 160 °C. On
remarquera que A1 a la même humidité absolue que A0 car l’air ne s’est pas chargé d’eau dans
le préchauffeur.
Séchage adiabatique : le séchage peut être considéré comme adiabatique s’il n’y a pas de
pertes thermiques sur l’installation. Placer A2 correspondant à l’air humide en sortie du
sécheur dans le cas adiabatique. Pour cela, on se place dans le cas où la quantité d’eau
éliminée ne change pas ; donc A2 a la même humidité absolue que A3. D’autre part, on
remarquera que dans le cas d’un séchage adiabatique de l’eau, l’air de séchage évolue le long
d’une isenthalpe.
B. Bilan Matière : calcul de la capacité évaporatoire du sécheur.
SÉCHAGE PAR
ENTRAÎNEMENT
Gaz chaud sec Gaz humide
Produit humide Produit « sec »
A
AF
E
A
AF
E
PE
PF
E
PS
PF
E
PEF : débit de produit humide en entrée du sécheur
AF : débit d’air sec en entrée et en sortie
PSF : débit de produit sec en sortie
AEn , ASn : humidités absolues de l’air à l’entrée et la sortie du sécheur
AEw , ASw : titres massiques en eau du produit à l’entrée et la sortie du sécheur
Bilan en eau :
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PE PE A AE PS PS A ASF * Th + F * n = F * Th + F * n
Rendement massique du séchage :
A AS A AE
PE PE
F * n - F * neau éliminéeRd t= =
eau éliminable F * Th
Capacité évaporatoire du sécheur : c’est le débit d’eau ( EF ) éliminé par le sécheur.
E A AS A AE PE PE PS PSF = F * n - F * n = F * Th - F * Th
C. Bilans Thermiques : calculs de la puissance thermique consommée.
Energie fournie pour préchauffer l’air de séchage :
1 0A A A = F * H H
Pertes thermiques :
2 3A A A = F * H H
Rendement thermique de l’installation :
A AE AS AS AS
A AE AE AE
F * H -H H TFlux de chaleur utilisé pour vaporisé l'eauRdt = = = 1- = 1-
Flux de chaleur disponible F *H H T
Plus l’air en entrée est chaud et plus l’air de séchage en sortie est froid, meilleur sera le
rendement thermique du séchage.
SÉCHAGE PAR
ENTRAÎNEMENT
Gaz chaud sec Gaz humide
Produit humide Produit « sec »
A
AF
E
A
AF
E
PE
PF
E
PS
PF
E
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D. Conduite du séchage par entraînement : courbe d’adsorption et courbe séchage
Courbe d’adsorption :
Considérons un solide balayé par un courant d’air de température et de composition donnée.
Au bout d’un temps suffisamment long, la composition de l’air ne changera plus et le degré
d’humidité du solide sera constant. On définit ainsi le taux d’humidité du solide à
l’équilibre avec l’air : *
hT
*
hT varie beaucoup avec la nature du produit. Les solides insolubles non poreux ont un degré
d’humidité à l’équilibre faible (laine de verre, amiante). Les matériaux spongieux, organiques
présentent de grandes valeurs de *
hT (coton, bois).
HR
Th
Eau liée (sorbée)
Humidité
Superficielle
(non liée)
Humidité libreHumidité
d’équilibre*
RH
*
hT hcT h, initialT
HR est l’humidité relative de l’air de séchage.
L’humidité d’équilibre *
hT est le taux d’humidité du produit en équilibre
avec l’air d’humidité relative *
RH .
L’humidité libre est l’humidité que l’on pourra éliminer avec l’air d’humidité
relative HR*.
*
h, libre h, initial hT = T - T
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L’eau liée est l’humidité liée au produit par des forces physico-chimiques
(adsorption, osmose, hydratation…). Elle est caractérisée par une pression de
vapeur saturante inférieure à celle de l’eau libre à la même température.
Le taux d’humidité correspondant à l’eau liée est hcT .
L’humidité superficielle (non liée) est l’eau à la surface du produit. Cette eau
se comporte comme de l’eau libre. Sa pression de vapeur saturante est égale à
celle de l’eau liquide à la même température.
On remarque que plus on voudra diminuer le taux d’humidité d’un solide, plus l’air de
séchage devra avoir une humidité relative faible. Cet air devra donc être plus chaud et plus
sec. Le coût du séchage sera donc plus élevé.
Courbe de séchage :
On distingue quatre phases lors du séchage par entraînement :
A à B : phase transitoire de mise en température du produit à sécher. Le débit
d’évaporation augmente progressivement.
B à C : phase à allure constante ; la température du produit et le débit d’eau évaporé
sont constants. Le flux de chaleur arrivant au produit est égal au flux de chaleur
consommé pour l’évaporation de l’eau.
C à D : ralentissement du séchage. Le taux d’humidité a atteint sa valeur critique. Le
débit d’évaporation diminue et la température du produit augmente. La surface du
produit sèche progressivement. L’eau migre moins vite à l’intérieur du produit qu’elle
ne s’évapore.
D à E : fin du séchage. Le débit d’évaporation s’annule. La surface du produit est
complètement sèche ; le produit sèche en profondeur.
FE
Temps
AB
C
D
E
wC
w
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5 TABLEAU DE CONDUITE D’UN SECHEUR
Les paramètres de conduite peuvent se classer, en trois catégories :
Les grandeurs réglantes : débit d’air de séchage, température de l’air de séchage, la
température du produit entrant et le débit de produit entrant (peut être imposé par le
procédé).
les grandeurs réglées : le taux d’humidité du produit sortant et la température de sortie
du produit.
Comme indicateurs aidant à la conduite, on trouve aussi la température de l’air de sortie et
son taux d’humidité.
les grandeurs perturbatrices : le taux d’humidité du produit entrant, la dispersion
(granulométrie) du produit entrant (ce peut être une grandeur réglée s’il s’agit de
l’atomisation) et le taux d’humidité de l’air ambiant.
Produit
en
entrée
Air
ambiant
Air
de
séchage
Produit
sortant
Air
sortant
Débit T° W granulo HR T° HR Débit w T° T° HR
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