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UNIVERSITE SAAD DAHLEB DE BLIDA DEPARTEMENT DE MECANIQUE MASTER ENERGETIQUE M1/

UNIVERSITE SAAD DAHLEB DE BLIDA DEPARTEMENT DE MECANIQUE MASTER ENERGETIQUE M1/Eg. Cours et Exercices 2019/2020 Module : SECHAGE THERMIQUE DES SOLIDES Enseignant : K.NEHAL K. NEHAL Page 2 Chapitre 1 : GÉNÉRALITÉS SUR LE SECHAGE I/ DEFINITION Le séchage a pour but d'éliminer par vaporisation le liquide qui imprègne un solide. Il est largement utilisé dans l'industrie chimique où il vient souvent en complément d'opérations comme la sédimentation, la filtration ou l'essorage. Il se pratique dans plusieurs cas:  le liquide résiduel est incompatible avec la suite du procédé  le produit humide se conserve mal  le coût du transport est plus élevé en présence de liquide  la modification de la structure interne du solide (apparition d'une structure poreuse). Le champ d'application du séchage est particulièrement large: produits chimiques, produits pharmaceutiques, produits agro-alimentaires, matières plastiques, papiers, bois... Le séchage est une opération unitaire mettant en jeu un transfert de matière (le liquide imprégnant le solide passe à l'état de vapeur) et un transfert thermique (une fourniture de chaleur permet le changement de phase du liquide). La vaporisation pourra s'effectuer par ébullition ou par évaporation. Si on considère un solide humide placé dans un courant d'air gazeux on observe au cours de l'opération de séchage trois périodes distinctes:  une phase de mise en température du solide  une phase de séchage à vitesse constante  une phase de séchage à vitesse décroissante K. NEHAL Page 3 Les facteurs qui augmentent la cinétique sont:  la diminution de l'humidité absolue de l'air de séchage  l'élévation de la température de l'air de séchage  l'augmentation du coefficient de transfert thermique par une augmentation de la vitesse de circulation de l'air  l'augmentation de la surface spécifique du solide ce qui entraîne une augmentation de la surface d'échange II / MÉTHODES DE SÉCHAGE 1/ Séchage par convection C'est le mode de séchage le plus fréquent: on envoie sur la matière à sécher un courant gazeux chaud qui fournit la chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée. Dans un procédé en continu trois sens de circulation sont possibles pour le gaz et le solide à sécher. La circulation à contre-courant est toujours la plus efficace et permet un séchage plus poussé. 2/ Séchage par conduction Le produit à sécher se trouve en contact avec une paroi solide portée à une température élevée par chauffage. La conduction à travers la paroi et la matière entraîne une augmentation de la température du composé à sécher: le liquide se vaporise donc par évaporation ou par ébullition si il atteint sa température d'ébullition. Les vapeurs formées sont soit aspirées, soit entraînées par un gaz de balayage dont le débit est très faible par rapport à celui utilisé dans le cas d'un chauffage par convection. 3/ Sechage par rayonnement L'apport d'energie s'effectue par ondes electromagnetiques generées soit par des dispositifs electroniques (micro-ondes) soit par elevation de la temperature d'un emetteur infrarouge. K. NEHAL Page 4 Chapitre 2 : LES APPAREILS DE SECHAGE I- CLASSIFICATION : La classification des appareils peut s'effectuer suivant : o le procédé : continu, discontinu, o le mode de séchage : convection, conduction, rayonnement, lyophilisation, o le type de produits traités : solides en blocs, poudre, pâte , pulpe, film...etc. 1/ Appareils de séchage par conduction : Les étuves constituent un exemple de sécheurs en discontinu: elles conviennent pour de faibles quantités ou pour des produits coûteux exigeant des conditions de séchage très particulières. On peut donner deux exemples de sécheurs continus: • les sécheurs à tambour rotatif: ils sont constitués par un long cylindre légèrement incliné tournant à l'intérieur d'une enceinte chauffée par des gaz de combustion d'un brûleur. Le solide descend sous l'action de la gravité et de l'entraînement. Le mouvement de rotation permet le renouvellement du solide au niveau des surfaces chauffantes. Ils sont très appropriés pour des produits minéraux supportant des températures élevées. • les sécheurs à cylindres: ils sont constitués de cylindres creux animés d'un lent mouvement de rotation et chauffés à l'intérieur par un fluide caloporteur. La matière à sécher s'écoule entre les cylindres. Ils conviennent pour les produits sous forme de films (textiles, papier, matières plastiques...). K. NEHAL Page 5 2/ Appareils de séchage par convection On distingue pour les sécheurs discontinus ceux fonctionnant par léchage (courant de gaz parallèle à la matière) et ceux fonctionnant par traversée (courant de gaz perpendiculaire à la matière). Dans les étuves le produit est fixe sur des plateaux. Des exemples de sécheurs continus :  les sécheurs à tambour rotatif: ils présentent de grandes analogies avec les sécheurs du même type fonctionnant par conduction mais ici l'air chaud est directement en contact avec le produit. Ce séchoir est adapté aux produits pulvérulents non collants.  les sécheurs à lits fluidisés: ce séchoir convient pour des poudres divisées qui sont placées sur un support poreux. Un courant d'air chaud est soufflé sous la couche de matière et un lit fluidisé s'établit; les échanges thermiques sont alors intenses et l'efficacité du séchage est très grande.  les sécheurs tunnel  les sécheurs à bande K. NEHAL Page 6 3/ Appareils de séchage par rayonnement Ces appareils conviennent aux produits en plaques ou en films, donc de faible epaisseur. En infrarouge le chauffage se manifeste sur des epaisseurs tres faibles. Avec des micro-ondes on peut secher a des epaisseurs plus importantes. Le champ electromagnetique vehicule par ces frequences excite les molecules d'eau: l'agitation moleculaire qui en resulte provoque des chocs intermoleculaires. Cela entraine un echauffement du produit et donc la vaporisation des molecules d'eau. Le sechage par micro-ondes presente les avantages d'etre propre et son action s'effectue sur le volume du solide ce qui diminue les risques de croutage en surface. 4/ apareils de séchage par atomisation Ce procédé est applicable directement à des solutions, des émulsions ou des suspensions fines. Il permet notamment de regrouper en une seule opération la suite d'opérations de cristallisation, de filtration et d'essorage. Le système de pulvérisation en très fines gouttelettes du liquide préchauffé conditionne l'efficacité du séchage. Il est constitué d'une turbine tournant à grande vitesse. L'air est introduit chaud par un disperseur dans la chambre. Pendant son trajet dans l'appareil, toute l'eau est évaporée par l'air. K. NEHAL Page 7 5/ Appareils de séchage par lyophilisation Certains produits alimentaires ou pharmaceutiques d'origine animale ou végétale doivent être déshydratés pour le stockage et le transport. La lyophilisation combine l'action du froid et du vide pour réaliser la sublimation de cristaux de glace sans passer par la phase liquide. Le procédé peut être expliqué sur la figure suivante : on refroidit la substance à des températures de l'ordre de -10 à -40 °C très rapidement pour obtenir des cristaux de glace de petite taille (la sublimation est alors facilitée). On abaisse ensuite la pression en dessous du point triple (entre 100 et 10 pascals) de façon à permettre la sublimation de cristaux: on évite ainsi la formation d'eau liquide intermédiaire. La sublimation se poursuit jusqu'au produit sec tant qu'on maintient une pression suffisamment faible au- dessus du produit. La récupération de la vapeur d'eau s'effectue soit par condensation sur une paroi froide (-40 °C) avec formation de glace et élimination de celle-ci par un racloir, soit par action d'un déshydratant. K. NEHAL Page 8 II- ÉQUIPEMENTS ANNEXES DES SÉCHEURS Parmi les équipements on peut citer : 1/ Filtres Suivant le produit à traiter des contraintes importantes peuvent être imposées à l'air de séchage. Des filtres sont donc souvent installés; ils peuvent parvenir parfois à empêcher le passage des bactéries et autres micro-organismes si ils sont suffisamment fins. 2/ Ventilateurs Ils communiquent à l'air l'énergie mécanique nécessaire à sa traversée du sécheur. 3/ Déshumidificateurs de l'air Pour améliorer la capacité d'absorption d'eau de l'air, il est intéressant de prévoir un dispositif de déshumidification de l'air qui abaisse l'humidité de l'air avant son entrée dans le sécheur. On peut procéder par condensation en diminuant la température de l'air en dessous de son point de rosée ce qui permet d'éliminer l'eau en excès. On peut aussi passer l'air sur un support hydrophile qu'on régénère ensuite. Cette deuxième méthode est plus fréquemment utilisée pour déshumidifier l'air de refroidissement des produits après séchage. 4/ Réchauffeurs d'air La nécessité d'abaisser l'humidité relative de l'air avant son entrée dans le sécheur pour obtenir une meilleur efficacité oblige à préchauffer l'air. On utilise à cet effet des aérothermes constitués par des tubes munis d'ailettes et traversés par des fluides caloporteurs. Une deuxième solution consiste à utiliser des brûleurs utilisant des combustibles divers (fuel, charbon , gaz). Si le contact de l'air avec les produits de combustion est direct le rendement thermique est meilleur mais il faut alors ne pas avoir de contraintes au niveau de la contamination par les dérivés de combustion du produit à sécher. Pour éviter ce problème, on réchauffe alors l'air en utilisant un échangeur. 5/ Récupération thermique Le recyclage de l'air en sortie du sécheur peut s'effectuer si il est encore peu chargé en humidité. uploads/Industriel/ cours-exo-sechage-k-nehal.pdf