Activité de l'eau
L'eau est de loin le liquide le plus fréquement concerné par les
opérations de séchage; c'est pourquoi il est systématiquement pris
comme exemple; cependant tout autre solvant pourra se comporter de
manière similaire, et les concepts exposés ci-après pourront
s'appliquer.
L'eau présente est liée au matériau à sécher se différentes
manières:
- par capilarité; elle adhère faiblement au matériau et est
essentiellement présente à la surface externe et entre les particules
- par adsorption; elle est liée à la paroi interne des pores
si le matériau est poreux
- par cristallisation; elle est incluse dans la structure du
matériau
Ces différents types de liaisons se traduiront par une plus ou moins
grande facilité pour vaporiser l'eau présente:
- l'eau liée par capilarité se comportera comme de l'eau non
liée; sa pression partielle à l'équilibre sera celle de l'eau pure
- l'eau adsorbée sera plus difficile à extraire; à
l'équilibre, la pression partielle dans le gaz sera inférieure à la
tension de vapeur de l'eau pure; cette différence sera variable avec le
matériau et avec le degré de séchage.
- l'eau de cristallisation ne pourra pas être extraite sans
modification profonde du matériau (fusion, cuisson); elle n'est
généralement pas affectée par les conditions de séchage.
Le lien de l'eau avec le matériau, son aptitude au séchage, est évaluée
par l'hygrométrie à l'équilibre: elle est exprimée par le rapport de la
pression partielle d'eau dans le gaz environnant, sur la tension de
vapeur de l'eau pure à la température considérée. Cette valeur est
nommée au choix:
- humidité relative (HR) exprimée en %
- activité de l'eau (aw) exprimée en valeur de 0 à 1 ("w" pour "water")
L'eau liée par capilarité
présentera une activité proche de 1, tandis que l'eau adsorbée
présentera une activité très inférieure à 1.
L'activité
de l'eau contenue est un élément important pour le contrôle du
développement des micro organismes (bactéries, levures, champignons).
Une activité de l'eau <0,6 garantie l'absence de tels développements.
Humidité et Siccité
L'humidité d'un solide est la quantité d'eau présente rapportée au
solide sec ou au solide humide. Les deux conventions sont utilisées;
aussi il est toujours important de le préciser.
La siccité est un terme ambigu; c'est la qualité de ce qui est sec;
elle peut être quantifiée par le rapport de la quantité de produit sec
sur la quantité de produit humide. Cependant il est fréquent de voir
utilisé le taux d'humidité pour quantifier la siccité.
Point de saturation adiabatique
Dans
les sécheurs par convection, le gaz chaud apporte seul la chaleur
nécessaire à l'évaporation de l'humidité; il se refroidi et s'enrichi
en vapeur dans le même temps; il évolue vers la saturation, condition
ultime où il ne pourra absorber plus d'humidité. C'est le point de
saturation adiabatique du gaz.
Le point de saturation adiabatique du
gaz se lit sur un diagramme de Mollier (diagramme psychrométrique pour
l'air humide) montrant l'évolution de la température et de la teneur en
vapeur à enthalpie constante du mélange.
Vitesse de séchage
Le mécanisme de séchage fait appel à deux phénomènes de transfert:
- un transfert thermique pour vaporiser le liquide
- un transfert matière pour extraire la vapeur du solide vers le gaz environnant
Le séchage du solide présente généralement deux parfois trois phases:
- si
la température du solide est insuffisante, une première phase pendant
laquelle le solide doit être chauffé; la vitesse de séchage croît avec
la température
- une phase à vitesse de séchage constante
- l'humidité
en surface du solide est suffisante pour ne pas limiter le transfert de
matière; la vitesse de séchage est limitée par le transfert thermique;
s'il est suffisant, l'air peut atteindre son point de saturation
adiabatique
- une phase à vitesse de séchage décroissante au fur et à mesure que le solide devient plus sec
- l'humidité provient de l'intérieur du solide; le transfert de matière limite la vitesse de séchage
La transition entre ces deux phases se produit pour une humidité appelée humidité critique.
Fin de séchage
L'objectif du séchage est généralement d'atteindre une humidité résiduelle définie.
La fin du séchage peut être déterminée selon différentes manières:
- l'expérience peut permettre de fixer une durée de séchage adéquate pour atteindre l'objectif
- lorsque le solide devient sec, sa température augmente; la fin du séchage peut se référer à une température à atteindre
- une analyse de la teneur en eau du produit par la méthode de Karl Fisher permet de suivre et de vérifier l'humidité résiduelle
- l'humidité résiduelle peut aussi être déterminée par perte de poids sur un échantillon séché au laboratoire