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ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 20/06/2006 DABEE Départe

ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 20/06/2006 DABEE Département Industrie et Agriculture LE SECHAGE THERMIQUE Sommaire APPROCHE ENERGETIQUE DESCRIPTION TECHNIQUE DE SECHEURS THERMIQUES Séchoirs continus - Atomisation - Cylindre chauffant - Tambour rotatif - Sécheur tunnel - Sécheur à bande - Sécheur silo Séchoirs statiques - Etuve de séchage - Lyophilisation - Lit fluidisé - Sécheur à palettes / vis APPLICATIONS INDUSTRIELLES DEFINITIONS ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 2 - 20/06/2006 Le séchage est une opération unitaire ayant pour but d’éliminer par évaporation un liquide imprégnant un solide. Ce procédé s’effectue dans la majorité des cas par voie thermique. La problématique "séchage" développée dans cette section se focalise sur les procédés dédiés à ce mode de séparation sans s’attarder sur les autres types de séparation (par voie mécanique ou radiante). 1- APPROCHE ENERGETIQUE La technique de séchage dépend souvent de la forme ou de l’état physique du produit à sécher. Cependant, plusieurs remarques doivent aider l’industriel quant au choix de cette dernière. Cette opération nécessite un apport thermique important pour amener l’eau à se retirer du produit et pour assurer le transfert de masse. Généralement, le solvant évaporé est de l’eau. Aussi, la demande énergétique de ce procédé est a minima de 1 kg de vapeur par kg d’eau évaporée. Ce changement de phase liquide-gaz, complétée par la faible efficacité de ce type de procédé, rend l’opération très coûteuse en énergie (jusqu’à plus de 1 000 kWh par tonne d’eau évaporée). Il est tout d’abord indispensable de bien connaître l’état de siccité final du produit à sécher. En effet, le séchage thermique ne se révélera pas indispensable dans le cas d’une faible siccité terminale (inférieure à 40 %). D’un autre côté, il s’avère souvent avantageux de diminuer la teneur en eau du produit par voie mécanique (séparation mécanique) avant tout séchage thermique, beaucoup plus coûteux. La maîtrise de l’énergie passe également par la substitution d’une forme d’énergie à une autre, ou l’utilisation simultanée ou alternée de plusieurs modes de transfert de l’énergie, notamment à travers l’utilisation des Energies Radiantes (qui peuvent également être utilisées pour le chauffage préliminaire du produit). L’apport de chaleur sous pression atmosphérique peut se faire de différentes manières : - Par convection : c’est le mode de transfert le plus utilisé car il permet un transfert simultané de chaleur et de masse (vapeur issue du produit). Le fluide sécheur utilisé habituellement est l’air chaud. Cependant, le séchage à la vapeur d’eau surchauffée permet d’obtenir des gains importants d’énergie. Au contact du produit à sécher, cette vapeur qui n’est pas saturée en eau se désurchauffe en cédant une partie de sa chaleur sensible, évaporant ainsi l’eau contenue dans le produit. Ce procédé ne convient pas aux produits sensibles à une très grande chaleur, mais se révèle avantageux pour ceux qui sont gorgés d’eau ou sensibles à l’oxydation. En effet, il est possible de récupérer l’énergie de la vapeur issue du produit sur le séchoir lui-même (CMV) ou en dehors du séchoir. Il a en outre l’avantage de ne pas produire de gaz à effet de serre et son utilisation élimine les risques de feu et d’explosions. - Par conduction : le transfert thermique se fait dans ce cas par contact du produit avec une paroi chauffée. - Par rayonnement : les techniques énergies radiantes (UV, IR, HF, MO) permettent d’assurer, lorsque le produit le permet, un séchage de très bonne qualité et de réduire considérablement les dépenses liées au poste énergie. D’utilisation souple et précise, elles peuvent également être combinées à d’autres modes de transfert d’énergie (air chaud, conduction) ou sous certaines conditions de température ou de pression (séchage sous vide). ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 3 - 20/06/2006 2- DESCRIPTION TECHNIQUE DE SECHEURS THERMIQUES Principaux procédés de séchage thermique rencontrés Le nombre très important de produits à sécher (forme, état initial …) a pour conséquence l’existence dans l’industrie de nombreux procédés industriels (dispositifs, type d’énergie …), ce qui rend difficile toute simplification lors du traitement de ce sujet. Les fiches techniques présentées ci-après exposent, pour une gamme étendue de technologies de séchoir, outre la description du procédé et de ses caractéristiques, les différents systèmes ou dispositifs permettant d’atteindre une plus grande efficacité énergétique dans leur utilisation, ainsi que les modes de transfert de chaleur courants ou en développement amenant des gains en énergie conséquents. Les divers types de séchoirs industriels peuvent se regrouper de différentes manières ; on a choisi ici de distinguer les séchoirs statiques ou séchoirs à feu discontinus, des séchoirs à feu continus. ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 4 - 20/06/2006 2-1- Séchoirs continus Atomisation 1. Entrée du produit humide 2. Pulvérisation des particules 3. Chambre de séchage 4. Sortie du produit sec 5. Cyclone de dépoussiérage 6. Fines ATOMISATION Type de produit Etat initial Produit liquide (doit être pompable) Etat final Produit pulvérulent (poudres de qualité uniforme) Exemples d'applications Teneur en eau Lait Café Levures Poudres détergentes Sérum initiale 52 % 75 - 85 % 75 % 35 % / finale 3 % 3 - 5 % 8 % 4 - 10 % 5 % Le séchage comprend 3 étapes : - Pulvérisation du produit L’atomisation consiste à pulvériser la suspension à sécher en fines gouttelettes, souvent en partie haute de l’enceinte. Le liquide peut être pulvérisé par atomisation centrifuge, par atomisation sous pression (buse à simple fluide) ou par atomisation pneumatique (buse à 2 fluides). Cette opération détermine la taille des gouttelettes produites (et leur granulométrie), leur trajectoire, leur vitesse et par conséquent la dimension finale des particules sèches. ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 5 - 20/06/2006 - Mélange air-spray et évaporation de l’eau Les gouttes formées tombent par gravitation dans un courant d’air chaud et sèchent jusqu’à obtention d’un grain de poudre sec. Le contact de l’air avec le produit peut se faire selon un écoulement co-courant, contre-courant ou mixte. - Séparation du produit sec de l’air rejeté La récupération des poudres est effectuée par des cyclones, suivis ou non de filtres à manches et de laveurs de gaz. Des variantes au procédé générique existent également (atomisation multiple-effet, atomisation à 2 ou 3 étages). Caractéristiques du procédé Température de fonctionnement Vitesse du fluide entrée sortie Temps de séjour Débit du produit Capacité de traitement horaire 1à 30 m/s 100 à 600°C 60 à 200 °C 10 à 30 s 5 à 200 t/h 1 à 30 kg d'eau/h/m³ Efficacité énergétique Il est intéressant de réchauffer l’air entrant au moyen de calories récupérées sur l’air sortant (par l’utilisation d’un fluide intermédiaire ou non). L’utilisation de la VES (Vapeur d’Eau Surchauffée) en remplacement de l’air chaud peut potentiellement convenir lors d’un séchage par atomisation. Les intérêts sont multiples: - une consommation énergétique réduite par rapport au léchage air chaud (0,6-0,7 kWh/kg d’eau évaporée sans récupération énergétique), - possibilité de récupération énergétique de la vapeur issue du produit sur le séchoir lui- même (CMV) ou en dehors du séchoir (turbo-alternateur, chaudières…), - récupération de solvants et/ou mauvaises odeurs, - élimination des risques de feu ou d’explosions, - amélioration possible de la qualité du produit (couleur, porosité, rétention d’arôme…). ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 6 - 20/06/2006 Cylindre chauffant 1. Entrée du produit humide 2. Produit demi-sec 3. Sortie du produit sec CYLINDRE CHAUFFANT Type de produit Etat initial Produit liquide, pâteux ou en bande Etat final Produit pulvérulent (flocons) ou en bande Exemples d'applications Teneur en eau Latex de PVC Papier - carton Textile Flocon de pomme de terre Farine infantile instantanée initiale Produit liquide 60% Produit en bande 80 % 50 - 64 % finale Produit liquide 5 % Produit en bande 5 % Produit pâteux Le procédé consiste à étaler le produit humide à sécher en film mince sur la paroi externe d’un cylindre métallique, chauffé intérieurement (essentiellement par de la vapeur et par Infrarouge). C’est la face externe du cylindre qui transmet la chaleur par conduction dans la couche de produit humide en contact avec le cylindre. Le schéma d’alimentation dépend essentiellement de la texture, de la concentration, de la viscosité, du caractère mouillant du produit et de la sensibilité à la température. ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 7 - 20/06/2006 On distingue les modes d’alimentation suivants en fonction du type de produit : - pour les fluides : alimentation par trempage, par pulvérisation ou par rouleau encreur ; - pour les produits visqueux et pâteux : alimentation par plusieurs rouleaux encolleurs en cascade (le produit est encollé sur le tambour en couches successives, chaque rouleau satellite est alimenté par raclage du précédent) ou en parallèle (l’alimentation en couches successives se fait à partir de chaque rouleau satellite qui est alimenté directement en produit frais). Le cylindre tourne pendant que le film sèche. L’axe de rotation est horizontal et la longueur du cylindre est plus réduite que pour un tambour rotatif. Le produit sec est raclé par un couteau et emmené vers le conditionnement. Des variantes au procédé générique existent également (sécheurs bi-cylindres, sécheurs multi- cylindres). Caractéristiques du procédé Température de uploads/Industriel/ ee-ia-pro-sechage-therm-pdf.pdf