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Technologies de séchage des solides

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 séchageEfficacité énergétique
par atomisation1,5 - 2
tube tournant
lyophilisation10

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

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