Depuis des milliers d'années l'homme a utilisé le séchage des denrées
alimentaires pour permettre leur conservation. Les méthodes
traditionnelles de séchage utilisent le froid, le soleil, le vent, la
fumée, ....
Ce n'est que dans les années 1700 que des moyens mécaniques ont été
employés.
Le plus souvent le séchage d'un solide consiste en la vaporisation du
liquide pour l'évacuer en phase gazeuse. Parfois, c'est un solide qui
est vaporisé (sublimation); on parle alors de lyophilisation.
Dans
presque toutes les industries produisant des solides, on trouve une
opération de séchage. Les raisons sont diverses; ce peut être:
- pour la conservation du produit (produits alimentaires),
- pour faciliter son stockage et sa manipulation,
- pour permettre une mise en forme ultérieure (encapsulation)
- ...
Quelle que soit la méthode employée, la vaporisation du
liquide nécessite
de la chaleur qu'il faut apporter au solide. C'est ce flux de chaleur
qui souvent limite la capacité de séchage.
Les techniques de séchage utilisent l'une des méthodes
suivantes de transfert thermique:
- par conduction; le solide n'est pas en contact avec le
fluide chauffant; la chaleur est transmise au solide par une paroi
- par convection; le fluide chauffant est en contact direct
avec le solide à sécher; c'est le plus souvent un gaz qui également
entraine les vapeurs générées. La faible capacité calorifique des gaz
implique un débit important pour apporter la chaleur nécessaire
- par radiation; le plus souvent un rayonnement infra-rouge
qui est adsorbé directement par le solide
- par perte diélectrique; une électrode alimenté en courant
haute fréquence est introduite au coeur du solide à sécher; les pertes
diélectriques du matériau génère la chaleur.
- par radiofréquence (micro-ondes)
Sécheurs par convection
Sécheurs à lit fluidisé
Le solide à sécher est placé sur une surface poreuse (la sole de
fluidisation) au travers de
laquelle on fait passer un flux gazeux. Lorsque le débit de gaz est
suffisant pour vaincre la force de pesanteur sur les particules
solides, celles-ci se soulèvent légèrement et commencent à vibrer et se
déplacer. La couche de particules solides se comporte alors comme un
liquide agité.
C'est le courant gazeux qui apporte la chaleur nécessaire au séchage,
et qui entraine l'eau ou le solvant évaporé.
Un sécheur à lit fluidisé peut être conçu pour fonctionner:
- en discontinu par batch
- en alimentation continue
- comme un appareil "parfaitement agité"
- comme un appareil "à écoulement piston"
Diverses variantes peuvent inclure:
- un échangeur thermique immergé dans le lit fluide
- une agitation mécanique
- un effet de vibration
Les lits fluidisés sont utilisés pour sécher des poudres et des
granulés assez uniformes en taille tels que des produits
pharmaceutiques, alimentaires (céréales, ...).
Les sécheurs à lit fluidisé permettent des débits de séchage
importants grace à un transfert thermique élevé. Cependant
ils sont peu adaptés à traiter des solides très humides et collants qui
auront tendance à stagner sur la sole de fluidisation.
En raison du débit de gaz élevé, ils sont réservés aux applications où
de l'eau est évaporée qui peut être rejetée à l'atmosphère en l'absence
d'autres solvants.
Les solides à sécher peuvent subir une attrition et générer de fines
particules qui seront entrainées dans le flux gazeux.
Les solides sensibles à la chaleur peuvent parfois se dégrader à la
surface de la sole de fluidisation si celle-ci est trop chaude.
Sécheurs à tube tournant
Le sécheur à tube tournant consiste en un long tube, incliné, à
l'intérieur duquel sont disposées des chicanes ou des godets. Le solide
à sécher est introduit à l'extrémité haute du tube incliné qui est en
rotation lente. Le solide, continuellement brassé par l'action des
chicanes, se déplace progressivement vers l'extrémité basse du tube.
Dans la plupart des cas, un gaz chaud apportant la chaleur nécessaire
au séchage, parcours le tube à contre-courant ou à co-courant du
solide. Si la température requise est très élevée, le gaz chaud peut
être des gaz de combustion. Le tube peut aussi être chauffé de
l'extérieur par une double enveloppe, si le contact direct peut être
préjudiciable au solide.
Le sécheur à tube tournant est:
- très productif
- peu sensible à la ganulométrie du solide, mais le courant
gazeux peut entrainer les particules les plus fines.
- de maintenance aisée
Sécheurs à bande
Le solide est disposé sur une bande défilant dans un tunnel parcouru
par un courant de gaz chaud. Le gaz chaud traverse la bande et le
solide déposé, entrainant avec lui les vapeurs émises.
Sécheurs flash
Similaire à un transport pneumatique, un sécheur flash évapore
l'humidité du solide dans un grand débit de gaz chaud
qui entraîne le solide avec lui. Le temps de séjour est faible
(quelques secondes),le transfert thermique intense grâce à la forte
tubulence. Le solide doit être séparé du gaz en aval du sécheur, par
des cyclones et des filtres.
La rapidité de l'opération limite la surchauffe du solide et autorise
l'utilisation de gaz à température élevée.Selon le même principe, le
solide séché peut ensuite être refroidi dans un refroidisseur
flash.
Pour les produits sensibles à l'oxydation, un gaz inerte peut être
utilisé pour le séchage; il sera recyclé après élimination de
l'humidité entrainée.
Les solides pâteux peuvent être préalablement mélangés avec une
fraction du produit séché pour le rendre plus aisé à véhiculer.
Sécheurs à plateaux
Le solide à sécher est disposé sur des plateaux eux-même rangés dans
une armoire chauffante. L'armoire séchante peut être opérée sous
pression réduite (sous vide).
L'armoire séchante est équipée pour créer une circulation de
l'atmosphère interne entre les plateaux. Le chauffage est souvent
électrique et intégré à l'armoire, mais peut également utiliser une
source externe de fluide chauffant (vapeur ou autre).
Le mode de fonctionnement est discontinu; lorsque le dégré de séchage
désiré est atteint, l'armoire est ouverte, les plateaux en sont
extraits et remplacés par une nouvelle charge.
Sécheurs par lyophilisation
Le solide est d'abord amené à une température si basse que toute
l'humidité contenue est transformée en glace, puis est échauffé juste
assez pour vaporiser la glace sans qu'elle ne se transforme en liquide.
Permet de préserver la qualité de certains médicaments, le plasma
sanguin ou le café soluble.
La consommation énergétique nécessaire est très élevée; elle est environ 10 fois celle d'un sécheur par atomisation.
Sécheurs atomiseurs
S'appliquent aux solutions ou suspensions qui peuvent être véhiculées
par pompe. La solution ou suspension est d'abord dispersée en fines
goutelettes (atomisation) au sein d'un gaz ou d'une vapeur surchauffée,
permettant l'évaporation de l'eau ou du solvant.
Principales caractéristiques:
- Les produits thermolabiles peuvent être séchés à faible
température et pression atmosphérique
- technologie permettant de forts tonnages et facile à
conduire en continu
- permet de maitriser la taille et la forme et le degré de
séchage des particules
- l'efficacité énergétique est souvent médiocre
- ne permet pas de sécher des produits solides
- des dépots et encrassements sont fréquents
- investissement important
Sécheurs par conduction
Par cette technologie, la chaleur est transférée au solide par contact
avec une paroi elle-même chauffée par un fluide.
Les solides granulaires et pulvérulents seront traités dans une
capacité chauffée par un fluide externe, et pourvue d'un moyen de
brassage pour renouveller le solide en contact avec la paroi chauffée.
Les solides plats (papier, carton, textiles, ...) pourront passer entre
des cylindres chauffés
Exemples de sécheurs par conduction:
- sécheurs à tube tournant chauffés par l'extérieur
- sécheurs à palettes
- sécheurs à cylindre
Sécheurs à palettes
Le solide est chargé dans une capacité cylindrique dont l'enveloppe est
chauffée par un fluide circulant à l'extérieur. Cette capacipé est
équipée d'un arbre tournant muni de palettes destinées à brasser le
contenu de la capacité et ainsi renouveller le solide en contact avec
la paroi chauffées. L'arbre et les palettes peuvent aussi être
chauffés. La capacité peut être parcourue par un courant gazeux à faible débit qui
entrainera les vapeurs émises.
L'appareil peut être opéré sous vide pour abaisser le température de
séchage. Son fonctionnement sera alors discontinu.
La
chaleur n'étant pas apportée par le flux de gaz, celui-ci peut être
limité au minimum; le vapeurs entrainées sont moins diluées et peuvent
être plus facilement récupérées.
Sécheurs radiants
Sécheurs infrarouge
Le rayonnement infra rouge est absorbé par les solides mais peu par
l'air environnant. La chaleur est donc apportée sans utiliser de gaz
vecteur, et diffusée au coeur du solide à
sécher. Un courant de gaz doit néanmoins être maintenu pour refroidir
et maitriser la température du solide à sécher, mais aussi pour évacuer
les vapeurs générées.
Le rayonnement infra-rouge est généré par des lampes électriques ou des
brûleurs à gaz. Le solide à sécher est véhiculé sur une bande
transporteuse défilant sous les lampes.
Cette technique est très utile pour le séchage de produits plats et
leur revêtement (papier, carton, textiles ...). Elle permet également,
parallèlement au séchage, d'effectuer un traitement thermique (cuisson,
polymérisation, ...).
Sécheurs par radio fréquences
Ils
utilisent une tension électrique haute fréquence ou bien des ondes
électro-magnétiques dans les fréquences radio (micro-ondes) pour
apporter la chaleur nécessaire au séchage au cœur du matériau.
Efficacité énergétique
Le
séchage est une opération extrêmement consommatrice d'énergie. Celle-ci
est principalement utilisée pour fournir la chaleur nécessaire à
l'évaporation du liquide à éliminer.
On juge de l'efficacité énergétique d'un sécheur par le ratio:
(énergie consommée) / (chaleur de vaporisation du liquide)
technologie de séchage | Efficacité énergétique |
---|
par atomisation | 1,5 - 2 |
tube tournant | |
lyophilisation | 10 |
| |
Bilan matière et thermique
Le fonctionnement d'un sécheur se conforme à:
- la loi de conservation de la matière (ce qui sort est égal à ce qui entre):
- solide sec en entrée = solide sec en sortie
- liquide en entrée = liquide en sortie + vapeur en sortie
- gaz vecteur en entrée = gaz vecteur en sortie
- la loi de conservation de l'énergie (se limite à la conservation de l'enthalpie)
- la somme des enthalpies des flux en sortie = la somme des enthalpies des flux en entrée + chaleur échangée par les parois
- la loi d'équilibre liquide-vapeur du solvant
Ressources
Les
procédés de séchage dans l'industrie par l'Ademe et le Cetiat