Sechage

Chap. 2. SÉCHAGE

� Définitions et applications

� Comportement général du séchage

� Méthodes de séchage

� Appareillage

C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna

� Problèmes rencontrés

� Transfert de matière

� Transfert d’énergie

2.3. Méthodes de séchage

� Entraînement (convection)

� Ébullition (conduction)

� Atomisation

� Rayonnement

Un liquide ne se vaporise que si sa pression

de vapeur est supérieure à la pression à

laquelle se trouvent ses vapeurs dans la

phase gazeuse

� Le séchage par entraînement (convection)

� Représente le mode de séchage le plus fréquent dans l’industrie chimique


� 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

2.3.1. Séchage par entraînement

� Séchage co-courant � Séchage contre-courant

Air chaudet sec

Solide froid et humide

L’air serefroidit ets’humidifie

Le solide sedéshydrate

et s’échauffe

Air chaudet moins humide

Solide froid et humide

L’air serefroidit ets’humidifie

Le solide sedéshydrate

et s’échauffe


Air moinschaud

et humide

Solide secet

vulnérable

� Il faut beaucoup d’air pour déshydrater

le produit

� Procédé au rendement médiocre

Air chaudet sec

Solide secmais

fragile

� Meilleur transfert de chaleur et

d’humidité mais un produit

altéré par la forte chaleur de

l’air chaud


� Mise à température du solide

� Séchage à vitesse constante

�

�

�



� Séchage à vitesse décroissante

� �

�



�

�

� 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



�

�

� 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


� 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

�

�

� 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



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

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


� 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)

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


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

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


(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.

2.3.3. Séchage par atomisation

Applications

� Produits pharmaceutiques

�Amalgames osseux et dentaires

� Boissons

� Parfums, colorants et extraits de plantes


� 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

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


�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.

2.4. Appareillage

� les caractéristiques du produit à sécher

� le coût de séchage

� la sensibilité à la chaleur, à l’oxydation, etc.

Développementselon

� Suivant le procédé Continu

discontinu


Classification

� Suivant le mode de séchage

� Suivant le type de produits traités

convection conduction rayonnement atomisation

Bloc PoudrePâtePulpefilm

2.4. Appareillage

1. Four à air chaud (étuve)

2. Sécheur à chambresSécheurs discontinus

� 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


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.

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


� 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

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

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


commencer le séchage dans la seconde

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

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


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 contre-

courant du solide ou de manière

perpendiculaire au produit se fait dans un


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

2.2. Sécheur à tambour rotatif

� Produits minéraux quisupportent destempératures élevées

� Produits pulvérulents non collants

Applications


� 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

2.3. Sécheur à cylindres

� Produits sous forme de film� Papier, textile, matières plastiques

Applications

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

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

2.4. Sécheur à lit fluidisé

� Produits sous forme de film� Papier, textile, matières plastiques

Applications


� 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

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)

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


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


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�Atomisation par buse à double fluide : La pulvérisation est créée en 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

Techniques

d'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


� 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

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


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

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

2.6. Transfert de matière


V = M(XE - XS )

� 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

� Liquide sortant avec le solide: M XS

� Solide+liquide sortant: M(1+XS)

2.6. Transfert de matière

Pourcentages : Base humide-base sèche

%10100

10)(% ==

humideboisg

eaughumidebasehumidité

Ex: Soit un échantillon de 100 g de panneau mural contenant 90 g de solide et 10

g d’humidité


%11,11sec90

10)(% ==

boisg

eaugsèchebasehumidité

En absence d’indication, il s’agit toujours de la base humide

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?

Réponse: 31,125 kg H2Om = 218,875 kg solide

Exercice d’application 2.1


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 concentréeb) 45 lbm eau/lbm NaOH traité

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?

m = 300 lbm gâteau humide



m1 = 300 lbm gâteau humide

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 :

sP mMm && ⋅+= )1( 11(2.1)

Le débit du produit à la sortie :

sP mMm && ⋅+= )1( 22(2.1)

ps

ppPaASppPaAS QTCmhmTCmhm &&&&& +⋅⋅+⋅=⋅⋅+⋅⋅⋅ 22221111(2.3)


ps

ppPaASppPaAS QTCmhmTCmhm &&&& +⋅⋅+⋅=⋅⋅+⋅⋅⋅ 22221111(2.3)

2222

1111

)881,1005,1(6,2499

)881,1005,1(6,2499

aa

aa

THHh

THHh

⋅⋅++⋅=

⋅⋅++⋅=

(2.4)

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)

2.7. Transfert d’énergie

ASm& = débit d’air sec (kg/s)

sm& = débit de matière sèche à l’entrée (kg m.s/s)

1Pm& = débit massique du produit à l’entrée (kg/s)

2Pm& = 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)


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


de perte de chaleur à travers les parois du sécheur. Calculer le débit d’air sec

nécessaire au séchage.

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