Humidité et vitesse de séchage des solides

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 (a_w) 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