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UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 1/14 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 UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 2/14 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. UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 3/14 Exemples d’application : ÉLASTOMERES SBR Fabrication de lait en poudre UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 4/14 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 sécher ms T  Le taux d’humidité est la masse d’eau par kg de matière sèche. masse d'eau masse de produit à sécher h T  Attention : il existe une autre définition du taux d’humidité masse d'eau masse de matière sèche h T  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. UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 5/14 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 EXTÉRIEUR SÉCHAGE 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 UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 6/14 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 » UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 7/14 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 T R H  Unité : % Humidité absolue ou taux d’humidité de l’air : c’est la masse d’eau par masse d’air sec. sec air d' masse eau d' masse  a n 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. UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 8/14 Lecture du diagramme de Mollier Le diagramme de Mollier est un diagramme à quatre entrées : UFA 2 SECHAGE VERSION ENSEIGNANT Page 9/14 On peut donc, pour un air donné, placer son point caractéristique sur le diagramme de Mollier en connaissant deux de ces valeurs. uploads/Industriel/ cprof.pdf