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UFA 2 SECHAGE

VERSION ENSEIGNANT /14

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


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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


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



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



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

Page suivant diagramme de Mollier de l’air humide

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