séchage

Le séchage dans les industriesThéorie du séchage

Dimensionnement de séchoirs

Le séchage dans les industriesThéorie du séchage

Dimensionnement de séchoirs

Patrick FERLIN (ECP 88)

Responsable Technology Center Novecare Europe

Centre de Recherches et Technologies d ’Aubervilliers

Centre de Recherches et Technologies de Lyon

[email protected]

Patrick FERLIN (ECP 88)

Responsable Technology Center Novecare Europe

Centre de Recherches et Technologies d ’Aubervilliers

Centre de Recherches et Technologies de Lyon

[email protected]

2Le séchage : notions théoriques et dimensionnement de séchoirs Formation Séchage 2012 Patrick Ferlin (CRTA)

Sommaire

�Quelques généralités

� Les différentes technologies de séchoir convectif

�Notions théoriques : thermodynamiques et cinétique

�Dimensionnement d’un séchoir

�Choix d’une technologie de séchage


Techniques pour éliminer le solvant

• séparation mécanique solide/liquide• filtration, centrifugation

• séparation par ébullition du solvant• Évaporateur

• ex : concentration de boues, de sucre, d’huile ....

• séparation par sublimation du solvant• lyophilisation

• passage de l'état de glace à l'état de vapeur : applications en alimentaire, pharmacie

• Séchage : séparation par évaporation du solvant• séchage convectif : atomiseur, tambour, lit fluidisé, flash, etc ...

• Séchoirs conductifs : séchoirs à vis, à palettes, etc.


Qu’est-ce que le séchage ?

• “ Le séchage est l'opération unitaire ayant pour but d'éliminer

partiellement ou totalement l'eau d'un corps humide par

évaporation de cette eau ”.

• Le corps humide en jeu peut être solide ou liquide. Mais le produit final est solide (sauf dans le cas particulier de la deshydratation d'un liquide non volatil, comme le séchage des huiles), ce qui distingue le séchage de la concentration d'un liquide par évaporation, cas dans lequel le produit final est un concentré liquide.

• Le séchage n’est pas la seule opération de séparation liquide -

solide : filtration sous pression, centrifugation, filtration par

membranes, etc.


Entraînement ou ébullition ?

Il est courant de faire une distinction entre séchage par ébullition et

séchage par entraînement :

�� pour le séchage par ébullition, la pression de vapeur du solvant

est égale à la pression régnant dans le séchoir. La température du

liquide est donc déterminée par la pression d'ébullition (par

exemple, 100 °C pour l'eau à 1,013.105 Pa)

�� pour le séchage par entraînement, le produit à sécher est mis en

contact avec un gaz en mouvement. Ce gaz est conditionné de

manière à ce que sa température soit supérieure à celle du produit

et la pression de vapeur du solvant inférieure à la pression dans

l'enceinte de séchage


• Classement suivant le mode de transfert de chaleur• Conductif : le solide est chauffé par conduction à partir d'une source chaude

• domestique : plaque chauffante, fer à souder ...

• industrie : séchoir à vis, écailleuse, ...

• Convectif : la chaleur est apportée par un gaz (air, azote ...)• domestique : sèche linge, ...

• industrie : séchoirs pneumatique, atomiseur, à bande ...

• Radiatif : la chaleur est apportée par un rayonnement et se propage dansle produit par conduction

• infra-rouge : soleil, flamme, industrie : séchoir tunnel avec lampes I.R.

• haute fréquence (HF), micro-onde

Différents modes de séchage, différents appareils


Différents modes de séchage, différents appareils

• Certains appareils utilisent les différents modes de transferts

• dans un four à chauffage direct :

• rayonnement de la flamme sur le produit et la paroi du four

• convection : le gaz chauffe la paroi et le produit

• conduction : la paroi chauffe le produit

• Sous vide • séchage basse température pour ne pas dégrader

le produit

• conductif, rayonnement


Sommaire


� Les différentes technologies de séchoir





Les séchoirs : Classification selon le mode d’opération

séchoirdiscontinu continu

conduction convection conduction convection

sous

videatmosphérique

àplateaux

agitéà

plateauxtraversé

lit

fluidisé

sous

videatmosphérique

à

tambour

à

bande

rotatif

indirect

traverséà

plateaux

à

bande

rotatif

direct

lit

fluidisépneumatique

àpulvérisation


Les tambours tournants (chauffage direct)

Four à chauffage direct- tube en acier (t<600°C)- virole acier avec briquetage interne

pour les hautes températures- d : 4 m L : 80 m - piston avec dispersion axiale- atmosphère mal contrôlée

Séchoir MOZER à courants double

- forme courte- entrée et sortie solide du même coté- rendement thermique élevé


Les tambours tournants : les internes

Chaînes éviter les dépôts de matériaux collants

Marteaux décrocher les dépôts en paroi

Croisillons augmenter la surface d'échange gaz/solide

Pelles augmenter la surface d'échange gaz/solide

Étoilescontrôler la progressiondu produit.Possible dans un four briqueté

LouvresDu gaz chaud est injectédans le solide par les louvres


Les tambours tournants : les internes

Doc. COMESSA Doc. MOZER


Les séchoirs tapis

Convectif

Micro-ondes

Radiatif

S : 250 m2l : 3 mT : 400°C

vol./chambre : 2 m3l : 2 mpuissance/chambre : 24,4 kW

S : 48 m2l : 2 mT : 250°C

Doc. EL-ADoc. COMESSA

Mise en forme

pour produitmou et thixotrope

pour produit dur


Séchage par atomisation ou spray-drying

Atomiseur ou “spray dryer” : du pilote à l’industriel


Séchage par atomisation (spray drying)

12,0

8,06,0

6,0

1,015,0

9,07,0

m

L

ND

1Kd:NIROnCorrélatio

L2000

Lx2000

ND

1Kd:APVnCorrélatio

=

ρµ

+=

Pulvérisation : buse (bifluide : air / monofluide : pression) ou turbine (à canaux : centrigugation)

Taille des gouttes dans une turbine :• N : vitesse de rotation (tr/min)• L : débit de liquide (kg/h)• D : diamètre de la turbine (mm)• m : nombre de canaux• µ et ρ : viscosité (mPa.s) et densité (kg/m3) du liquide

Taille des gouttes dans une buse pression :• P : pression de pulvérisation (bar)• L : débit de liquide (kg/h)• Φ : diamètre de sorti (mm)• µ, σ et ρ : viscosité (mPa.s), tension de surface (N/m) et densité (kg/m3) du liquide

375,0

15,0125,025,05,0

PKd:APVnCorrélatio

σρµφ=



- chambre conique- turbine, co-courant- usage général

- buse fontaine (pression ou bi-fluide),- co et contre-courant- particules de taille moyenne à grosse- produit non thermosensible

- buses pression- contre-courant- grosses particules- produit non thermosensible



-buses pression avec injection d'air chaud par venturi pour accroître le mélange air/spray

- co-courant- bas de tour avec entrée d'air froid- applications alimentaires

- buse pression- co-courant- refroidissement du produit en bas de tour- grosse granulométrie- produit fragile- applications alimentaires

- turbine- refroidissement du produit en bas de tour- produit très fragile


Le « multi stage dryer »

La flexibilité de l’outil permet de produire une large gamme de propriétés physiques :

Le procédé d’atomisation multiple effet permet de produire des poudres non poussiérantes, de bonnes coulabilité, et agglomérées.

Cette conception d ’atomiseur est particulièrement adaptée au séchage de produits gras, hygroscopiques ou collants, qui sont plus délicats à manipuler dans des séchoirs plus conventionnels.

Multi-Stage Dryer (MSD) :

atomiseur avec lit fluidisé intégré en bas de tour

D’après NIRO


Les technologies de séchage à lit fluidisé

D’après NIRO


Les technologies de séchage à lit fluidisé

Lit fluide Heinen

Principe :

séchage par entraînement à courants croisés


D’après NIRO

Progrès technologiques permettantde résoudre les problèmes :

• d’accumulation des poussières• de condensations dans la boucle• d’instabilité du point de fonctionnement

Circuit ouvert

Circuit fermé

Les lits fluidisés en circuit fermé

• Elimination de solvants organiques• Poudres explosives


Séchoir désagglomérant“Media Slurry Dryer” de NARA

Produit ensuspension

Air chaud Écaillage & envolement

Séchage & fendillage

Dispersion & adhérence

Sortie poudresèche

Media Slurry Dryer de NARA

Lit fluide

et sécha

ge :

innovatio

ns techni

ques

D’après NARA


Les séchoirs flash

Spin flash APVTube flash NARA

- temps de séchage : quelques secondes- poursuite du séchage dans le cyclone !


Les séchoirs flash

CONVEX de BUSS

- importante vitesse relative gaz/solide=> bons transferts de masse et chaleur

- classification granulo. et temps de séjour associés

- association de plusieurs chambrespossible


Broyage et séchage combinés

Micron Drying Technology d’HOSOKAWA

Principe : broyage et séchage par fluidisation simultanés dans la chambre de broyage, puis entraînement des particules via le sélecteur

Applications :- Séchage de produits collants, fibreux, pâteux- Possibilité de fonctionner en atmosphère appauvrie en oxygène, ou en oxygène inerte

D’après HOSOKAWA


Sommaire







Humidité de l’air et d’un solide La plupart des grandeurs sont ramenées au kg d’air sec ou au kg de produit sec.

aa

ww

a

wnMnM

mm

Y ==

wt

w

a

e

a

e

ae

a

pp

p

M

M

y1

y

M

MYou

YMM

YMy

−=

−=

+=

)T(sat

w

)T(satr p

p100

y

y100y ==

)T(satr Y

Y100Y =

1) L’humidité absolue, Y, en kg de vapeur d’eau par kg d’air sec :

2) La fraction molaire, y, en mole de vapeur d’eau par mole totale de gaz, avec les relations :Pour une vapeur d’eau pure, Y est infini et y = 1.

3) La pression partielle en vapeur d’eau pw (pt : pression totale) :

4) L’humidité relative (ou degré hygrométrique), yr, qui varie entre 0 et 100% (ou 0 et 1 si on l’exprime en fraction), et le taux de saturation Yr, variant entre 0 et 100% (ou 0 et 1 si on l’exprime en fraction) :

1) La teneur en eau dans le solide exprimée en pourcentage massique, notée “ x ” (100 x kg d’eau par kg de solide total) et la quantité d’eau mw contenue dans le solide ramenée par unité demasse de solide sec mms, valeur que l’on notera X

x100

x

m

mX

ms

w

−==

pw = y pt


Enthalpies d’un air humide et d’un solide humide

• L’enthalpie H d’un système air / vapeur en Joule par kg d’air sec (Référence : l’air à 0°C et l’eau liquide à 0°C) :

• En notant : • Capacité calorifique moyenne entre 0 et T : • Chaleur massique de l’air humide :

• A noter que l’on distingue :• la chaleur latente, désignée par le terme : • la chaleur sensible, désignée le terme :

• L’enthalpie Hs d’un système “ solide / eau libre ” est donnée par la relation, où Hss’exprime en Joule par kg de solide sec :

= chaleur massique humide du solide.

( ) YTcYT)cYc(dT)T(cYdT)T(c)Y,T(H 0gTph0

gpw

gpa

T0

gpw0

T0

gpa λ+=λ++=∫+λ+∫=

∫=T0 p

Tp dT)T(cTc

gpw

gpa

gph cYcc +=

TcgTph

TcTcXTcdT)T(cXdT)T(c)X,T(H T0

sTph

LTpw

sTp

Lpw

T0

sps ∫ =+=+∫=

)T(cX)T(c)T(c Lpw

sp

sph +=

Y0λ


Quelques données numériques

° , 10 223 − 0552 − 2494 = λ

=°

+++=°

+++=°

3− CenTkg/kJT,T,

kgK/J4189c:)Ckg/J(eau'ldeCp

)273T(

1083.1T5945.01.1828)T(c:)Ckg/J(eau'dvapeurladeCp

)273T(

1057.1T21.02.980)T(c:)Ckg/J(air'ldeCp

2w

Lpw

2

6gpw

2

6gpa

p

p100

y

y100yet

y1

y

M

MY

273T

5.4698641.12exp

p

10013.1y:C100T

273T

5198951.13exp

p

10013.1y:C100T

)T(sat

w

)T(satr

)T(sat

)T(sat

a

w)T(sat

t

5

)T(sat

t

5

)T(sat

==−

=

+−=°>

+−=°≤

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0.50.55

0.60.65

0.70.75

0.80.85

0.90.95

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Valeurs calculées

Valeurs physiques

Psat(T), atm.

T (°C)

Capacités calorifiques et chaleur latente d’évaporation

Pression de vapeur saturante et degré d’hygrométrie

2250

2300

2350

2400

2450

2500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

valeurs expérimentales

valeurs calculées

Chaleur latente (kJ/kg)

T (°C)


Mélange de deux airs humides

• L’un des nombreux intérêts du diagramme de l’air humide exprimé en coordonnées (Y,H) est de pouvoir caractériser facilement le mélange de deux flux d’air humide.

• Flux A : débit d’air sec mA, humidité YA, enthalpie HA

• Flux B : débit d’air sec mB, humidité YB, enthalpie HB

• On peut alors calculer l’enthalpie de mélange HM et l’humidité absolue de mélange YM par :

• On en déduit notamment que si A et B sont les points représentatifs des deux flux sur un diagramme de l’air humide donné en coordonnées (Y,H), le point M représentatif du mélange sera le barycentre des points A et B affectés respectivement des masse mA et mB.

• On a donc la relation, pour tout point O de la droite (AB) :

• et en particulier :

BA

BBAAM

BA

BBAAM mm

HmHmHet

mm

YmYmY

++

=++

=

OBmOAmOM)mm( BABA +=+

ABmm

mAM

BA

B+

=


Rh

1%2%5%

10%15%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%

100%

Tem

péra

ture

(°C

)

0 1

0 2

0 3

0 4

0 5

0 6

0 7

080 9

0 1

00

020

4060

80100

140

120

160180

200

220240

260

0 10 20 30 40 50 60

Humidity (g/kg)

Enth

alpie

(kJ/kg)

iv

jr

A

Diagramme de l’air humide

jHiYOArv

+=→

Tout point est parfaitement défini sur le

diagramme de l’air humide par son

humidité absolue Y et son enthalpie H :

Par exemple, pour A défini par :

A (Y = 10 g/kg ; H = 80 kj/kg)

j80i10OArv

+=→

i10v

j80r


Mélange air et eau

• Mélange de :• Flux A : débit d’air sec mA, humidité YA, enthalpie HA

• Flux B = W : débit d’eau mw, humidité infinie, enthalpie Hw

• Ecriture directe des bilans matière et enthalpique:

• Graphiquement sur un diagramme de coordonnées (Y [kg/kg],H [kg/kg]) :

• Il est courant de rechercher, pour deux flux A(HA,YA) et W(HW) donnés, le rapport mw/mA qui va conduire à un mélange M saturé.

• En pratique, cela revient à chercher la quantité d’air minimale à apporter pour évaporer une quantité d’eau liquide mW en évitant la condensation de l’air résultant.

wA

wAM

A

wAM H

m

mHHet

m

mYY +=+=

jHiH

1uoù,u

m

mAM w

wA

wrrrr

+=

==

→


Température de saturation isenthalpique

• La température de saturation isenthalpique :• Lorsque l’eau ajoutée est liquide à 0°C, alors Hw = 0 ; le point M issu du

mélange se déplace exactement sur l’isenthalpique HM = HA :

• Comme Y croît, l’air se refroidit tout en s’humidifiant, car son gain en chaleur latente compense sa perte en chaleur sensible.

• On parvient, en augmentant mw, et toujours en se déplaçant sur la droite H = HA, à rencontrer la courbe yr = 100

• La température qui correspond à ce point est dite “ température de saturation isenthalpique ”.

Flux A : air sec mA, humidité YA, enthalpie HA

Flux B = W : eau liquide mw, enthalpie Hw = cpTww

A

wAM

A

wAM H

m

mHHet

m

mYY +=+=

)YY(c

TT MAgph

0MA −

λ−=−


Diagramme de l’air humideTempérature de saturation isenthalpique

Par exemple, pour A (Y = 10 g/kg ; H = 80 kj/kg)

j80i10OArv

+=→

Mélange de l’air A avec de l’eau à 0°C :(HW = 0)

( )( ) ( )i10m

mjHi10

m

mAM 3

A

wwkg/g

3

A

wvrv

=+=→

Rh

1%2%5%

10%15%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%

100%

Tem

péra

ture

(°C

)

0 1

0 2

0 3

0 4

0 5

0 6

0 7

080 9

0 1

00

020

4060

80100

140

120

160180

200

220240

260

0 10 20 30 40 50 60

Humidity (g/kg)

Enth

alpie

(kJ/kg)

iv

jr

i10v

j80r

A

On suit alors à partir de A unedroite isenthalpique, qui croise la

courbe de saturation à la température isenthalpique (ici 26°C)

M

gph

0

c:Pente

λ−


Température de saturation adiabatique

La température de saturation adiabatique TW :• Cette notion est très utilisée pour les diagrammes de l’air humide en coordonnées

(T,Y). On peut montrer que pour un air A(YA,TA) donné, il est possible de mélanger de l’eau liquide W à une température TW de sorte que le mélange résultant soit saturé et soit à cette même température TW

)YY(c

TT MAgph

TMA

W −λ

−=−

MwAMA HH)YY(H =−+

WW TMWMgphwAMTAWA

gph Y)TT(cH)YY(Y)TT(c λ+−=−+λ+−

Flux A : air sec mA, humidité YA, enthalpie HA

Flux B = W : eau liquide mw, enthalpie Hw = cpTw

wA

wAM

A

wAM H

m

mHHet

m

mYY +=+=

- En combinant les bilans :

- En prenant ici TW comme température de référence pour l’enthalpie :

Y)TT(c)Y,T(HwTw

gph λ+−=

(1)

(1) devient : X X

D’où :C’est une droite proche des droites isenthalpiques !!


Rh

1%2%5%10%15%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%100%

Tem

péra

ture

(°C

)

0 1

0 2

0 3

0 4

0 5

0 6

0 7

080 9

0 1

00

020

4060

80100

140

120

160180

200

220240

260

0 10 20 30 40 50 60

Humidity (g/kg)

Enth

alpie

(kJ/kg)

iv

jr

j80r

A

i10v

Diagramme de l’air humideTempérature de saturation adiabatique

Par exemple, pour A (Y = 10 g/kg ; H = 80 kj/kg)

j80i10OArv

+=→

Mélange de l’air A avec de l’eau à Tw de sorte que l’air résultant du mélange soitsaturé et à la température Tw :

( )( )jHi10m

mAM wkg/g

3

A

wrv

+=→

On suit alors à partir de A unedroite adiabatique, qui croise la

courbe de saturation à la température adiabatique

correspondante au point A (ici 27°C)

3ww 10T18,4H:NB <<≈

gph

T

c:Pente W

λ−

M


La température de saturation adiabatique

En résumé :

• La température de saturation adiabatique :• est donnée par la relation :

• C ’est le lieu des points M = droite passant par le point (TA,YA), de pente :

• Son intersection avec la courbe de saturation Ysat(T) donne la température de saturation adiabatique

• Cette température de saturation adiabatique est peu différente de la température de saturation isenthalpique (la température de saturation d’un air humide A dépend peu de la température de l’eau liquide W avec laquelle on mélange cet air A)

)YY()T(c

TT MAw

gph

WTMA −

λ−=−

)T(c Wgph

WTλ−


Notion de température humide

L’équilibre stationnaire, qui permet au liquide d’atteindre sa « température humide », correspond à l’égalité du flux de chaleur sensible par diffusion thermique (l’air est plus chaud que le liquide) et du flux de chaleur latente (évaporation de la goutte)

( ))hT(satAgph

hTAhA YY

cTT −

λ−=−

La notion de température humide est fondamentale pour le dimensionnement des séchoirs

couche limite

W

T* = T

T

Y

Y* = Ysat(T )

p*w

pwA

hA

A

A

A

h

ThA

Chaleur latente

(évaporation)

Chaleur

sensible

)YY(k)pp(km A*

mwA*w

'mw −σ≈−σ=&

Il y a donc identité entre Th et la température de saturation adiabatique

( )*wwA

cv

mT*AwTc pp

h

kTTmQ

*

w−

λ−=−⇒λ= &&

)TT(hQ *Acvc −σ=&et

� Pour un régime turbulent, le rapport hw/k’w devient

indépendant du nombre de Reynolds, et peut s’écrire :

1LecarcPr

Scc

k

h gph

56.0gph'

m

cv ==

= pour le système eau / air

� Equation des transferts de matière et de chaleur :

� L’air en contact avec la goutte est saturé en vapeur d ’eau(équilibre à l’interface des phases : aw = 1)


Détermination et mesure de la température humide

1) Equation : avec :

On obtient donc une équation implicite en

2) diagramme de l’air humide

3) Expérimentalement

( )A)Th(sattA

hA yy7.64

pTT −=−

+−=

273T

5198951.13exp

p

10013.1y

t

5

)T(sat

AhT

Flux d’air (vitesse > 1 m/s)

Coton imbibé d’eau


Premier exemple : TA = 30°C, yr = 30% ou yr = 100%


Deuxième exemple : TA = 90°C, Y = 10 g/kgas

33°C


Troisième exemple : en sortie d’atomiseur, TA = 110°C, Th = 50°C … humidité de l’air de sortie ?

58 g/kgas


L’équilibre d’humidité air / produit : activité de l’eau dans un solide humide

• Que le séchage s'opère par ébullition ou par entraînement, c'est la

pression de vapeur d'eau du produit qui détermine les échanges

entre l'air et le produit

• D'après les lois thermodynamiques, on a :

• psat(T) : pression de vapeur de l'eau pure à la température T de travail (Pa),

• pws : pression de vapeur d'eau en équilibre avec le solide humide (en Pa),

• aw : activité de l'eau (sans unité).

w)T(satws app =

L'équilibre entre les deux phases se caractérise par : pws = pw et Ts = T

)T,a(gT,p

pg)T,p(fX w

)T(sat

ww =

==

Isotherme de sorption :

Activité de l ’eau :

(X : kg d’eau / de de solide sec, ou humidité absolue du solide)

pws

Ts

pw

T Air humide

Solide humide

Equilibre


Signification de l’activité de l’eau

• Pour de nombreux systèmes (et notamment les systèmes biologiques), la disponibilité de l’eau, schématisée par le concept d’eau libre et d’eau liée, est très importante, car elle va déterminer l’humidité résiduelle maximum que peut tolérer un produit pour une application donnée.

� Lorsque aw = 1, l’eau contenue dans le solide est dite libre : c’est le

cas de nombreux produits minéraux très humides et sans liaisons -

OH, ou de produits biologiques très hydratés (sauf si ils sont riches

en corps solubles). Lors du séchage, l’eau se comporte comme si

elle était pure.

� Lorsque aw < 1, l’eau contenue dans le solide est dite liée, et le

séchage de cette eau, dont la pression de vapeur saturante est plus

faible que si elle était pure, sera plus difficile. On peut noter que l’eau

liée est fixée à la matière sèche par des liaisons de différents types

(liaisons chimiques, eau fixée par capillarité dans les pores, etc).


Isotherme de sorption

• L’eau liée étant souvent appelée “ eau adsorbée ”, chimiquement ou physiquement, la mesure de l’activité de l’eau permet de déterminer d’équilibre de sorption. On conçoit en effet que l’humidité absolue X d’un solide à l’équilibre est une fonction de la pression partielle de vapeur d’eau avec laquelle il est en équilibre et de la température :

• L’isotherme de sorption représente alors la relation entre X et aw à température constante, et un faisceau d’isothermes de sorption est la forme la plus représentative de la relation

• On notera ici que les courbes de désorption (cas du séchage), diffèrent en général des courbes d’adsorption (cas de l’humidification). Ce phénomène d’hystérésis est dû à la présence des micropores et à des mécanismes de condensation capillaire. Les courbes de désorption, dans le système de coordonnées X = f(aw), sont alors au dessus des courbes d’adsorption.

)T,a(gT,p

pg)T,p(fX w

)T(sat

ww =

==


Cinétique de séchage : transfert de matière et de chaleur

Lors d’un séchage par entraînement, l’air est en général en régime turbulent dans le séchoir, si bien qu’à proximité du solide se forme une couche limite (de l’ordre de 10-4 m) dans laquelle le régime d’écoulement est de type laminaire. L’air A* à l’interface gaz-solide peut alors être considéré en équilibre de température et d’humidité avec la surface du solide humide :

La température à la surface du solide est aussi celle du gaz à l’interface gaz-solide :

L’activité de l’eau à la surface du solide est égale à l’humidité relative (ou degré hygrométrique) de l’air à l’interface gaz-solide :

Ss

* TT =

)T(pappsoit,ay Sssat

Sw

Sws

*w

Sw

*r ===

TA

T = TS

s*

Phase so lide P h a se ga z

Trans fert de chaleur

Trans fert de matière

ypwA rA

Interface solide/gaz

couche

limitep*w

r

p =wS

a = ywS*

s


Séchage d’un solide par entraînement : données cinétiques

• Soit un solide d’humidité X0 initiale soumis à un flux d’air

caractérisé par son humidité YA, sa température TA, et sa vitesse

uA au voisinage du solide.

• Dans ces conditions, il est possible, expérimentalement, de

connaître la variation avec le temps de la masse de solide

considéré.

Joint hydraulique

TYu AA A

Balance

Air

Air

Produit

TYu AA A

Air

Cellules de cinétiques de séchage

TYu AA A

A lit léché A lit traversé A lit fluidisé


Courbes de cinétique de séchage : trois phases différentes

� � � � Première phase :

Mise en régime

� � � � Deuxième phase :

Flux évaporatoire constant

� � � � Troisième phase :

Flux évaporatoire décroissant

X

dX

dt

dX

dt ev

XXXe c 0

(1)(2)

(3)

-

-

X

t

t

T

t

(1) (2) (3)

(1) (2) (3)

(1) (2) (3)T

Xc

S0

T

T

hA

A

Xe

X0

dX

dt ev-

dX

dt-


Courbes de cinétique de séchage : interprétation

• Phase à flux évaporatoire constant :

q

ec

ew

evwc

XX

XX)X(ravec

,dt

dX)X(r

dt

dX:XX

−−

=

−=

−≤

evc dt

dX

dt

dX:XX

−=

−≥

Échantillon (env. 10 g) :X0 : humidité initiale (kg/kg ms)mms : masse de matière sècheXc et Xe: humidités critique et d’équilibre

Air chaud :Ta, Ya, va fixés

Transfert de chaleur G-S :h : coefficient de transfertS : surface d ’échange

Balance

X

t

Xc

Xe

X0

T

tTS0

T

T

h a

A

(1) (2) (3)

QC O QC(X)

QC : flux de chaleur échangée entre les deux phases

XXcXe

X0

(1)

( 2)

( 3)

−

dt

dX

evdt

dX

−

q

ec

ew

evwc

XX

XX)X(ravec

dt

dX)X(r

dt

dX:XX

−−

=

−=

−≤

• Phase à flux évaporatoire décroissant :


Les périodes d’une cinétique de séchage : première phase : phase d’initiation

Lors de cette phase, le solide S de température initiale Ts0, d’humidité initiale X0

et de pression de vapeur pws0 est en contact avec un air de température TA et d’humidité absolue YA. L’objectif étant de sécher le solide, on a évidemment :

• TA > Ts0, si bien que va s’opérer un transfert de chaleur de la phase gaz vers la phase solide ;

• pws0 > pwA, si bien que va s’opérer un transfert d’eau de la phase solide vers la phase gaz.

� le solide à sécher étant en général très humide, l’activité aw0 de l’eau du solide est initialement de l’ordre de 1, donc pws0 est égal à psat(Ts0)

� si Ts0 est proche de la température ambiante (par exemple 25°C), l’humidité d’équilibre Ysat(Ts0) restera faible (de l’ordre de 10-2 kg/kg)

� au début de la phase d’initiation, le transfert de chaleur est prépondérant par rapport au transfert de matière

� lorsque le solide monte en température, le terme psat(TS) augmente sensiblement, si bien que le transfert de matière par vaporisation de l’eau peut devenir non négligeable


Les périodes d’une cinétique de séchage :La phase à flux évaporatoire constant :

Phase à flux évaporatoire constant : la surface du solide est recouverte d’un film continu d’eau libre, et tout se passe comme si l’on séchait une simple goutte d’eau. Pour un solide poreux, notamment, cela suppose qu’il y a migration de l’eau du cœur du solide vers sa surface (par capillarité), de façon à entretenir ce film d’eau libre à la surface du solide.

La surface du solide se comportant comme de l’eau libre :• elle sera à la température humide correspondante au flux d’air A :

• l’activité de l’eau libre étant aw = 1 :

• On a :

•On peut donc en déduire les coefficients de transfert de matière et de chaleur :

hASs

* TTT ==)T(ppp hAsat

Sws

*w ==

wThAAcvc mcte)TT(hQhA

&& λ==−σ=

( )ev

mswAhAsatmw dt

dXmctep)T(pkm

−==−σ=&

wAhAsat

evms

m p)T(p

dtdX

m

k−

−

=σhAA

evmshAT

cv TT

dtdX

m

h−

−λ

=σ


Les périodes d’une cinétique de séchage :Phase à flux évaporatoire décroissant

Phase à flux évaporatoire décroissant : A la fin de la période à flux évaporatoire constant, le film liquide à la surface du solide n’existe plus, et l’ humidité à la surface est plus faible que le cœur : le chemin que doit parcourir la vapeur d’eau pour sortir du solide augmente, créant une limitation au transfert de matière supplémentaire.

• La chaleur cédée par l’air est encore utilisée pour évaporer de l ’eau, mais aussi pour monter le niveau de température à la surface du solide

• A la fin du séchage, la température du solide a rejoint la température TA du gaz caloporteur A (défini par sa température TA et son humidité absolue YA).

• Son humidité finale résiduelle, Xe, est celle qui peut par ailleurs être déduite de la courbe de sorption du produit :

• La cinétique de séchage permet, grâce à l ’identification de la fonction rw(X), de connaître, pour un X (< Xc) donné, la fraction du flux de chaleur :

• utilisée pour évaporer l ’eau du solide

• monter le solide en température

( ) smssLpwspsmssTc dTm)T(cX)T(cdXmdtQ ++λ=&

)T,y(g)T,a(g)T,p(fX ArAAweAwAe ===


Pourquoi la présence d’une phase à vitesse de séchage décroissante ?

Plusieurs phénomènes expliquent le ralentissement de la vitesse de séchage du produit :

� La migration de l’eau liquide et la diffusion de la vapeur d’eau dans la couche de solide : A la fin de la période à flux évaporatoire constant, le film liquide à la surface du solide n’existe plus, et l’ humidité à la surface est plus faible que le cœur : le chemin que doit parcourir la vapeur d’eau pour sortir du solide augmente, créant une limitation au transfert de matière supplémentaire.

� La migration de l’eau en phase liquide et les dépôts de corps solubles : La concentration en eau étant plus faible vers la surface, l’eau migre - selon les gradients décroissants - vers la surface. Or plus la concentration en eau est faible, plus sa diffusivité est faible, ce qui limite d’autant ce mécanisme, déjà lent. Par ailleurs, se superpose à ce phénomène le dépôt à la surface du solide de corps solubles, qui en obstruant les pores empêchent la sortie de l’eau.

� Le phénomène de retrait : lors du séchage de certains solides, il peut y avoir retrait sous forme de la diminution de la forme et de la taille des pores, conduisant alors à une diminution de la vitesse de séchage.


Equation empirique de la cinétique de séchage lors de sa phase à vitesse décroissante

• Pour

• Pour

• Une cinétique de séchage est donc parfaitement déterminée

par les quatre paramètres suivants :

♦ le flux évaporatoire,

lors de la phase à vitesse évaporatoire constante, ne dépend que des conditions de transfert entre les deux phases, et est indépendant de la phase solide

♦ l’humidité critique Xc, qui ne dépend que de la phase solide, et est indépendante des caractéristiques du flux d’air

♦ le coefficient q, qui ne dépend que de la phase solide, et est indépendant des caractéristiques du flux d’air (ce coefficient varie en général entre 0 et 2, et on notera que plus il est élevé, plus la phase diffusionnelle sera longue)

♦ l’humidité d’équilibre Xe, qui lui dépend à la fois de la phase gaz et de la phase solide, selon l’isotherme de sorption correspondante

evdt

dX

−

q

ec

ew

evwc XX

XX)X(ravec,

dt

dX)X(r

dt

dX:XX

−−

=

−=

−≤

evc dt

dX

dt

dX:XX

−=

−≥

XXcXe

X0

(1)

( 2)

( 3)

−

dt

dX

evdt

dX

−


Sommaire







Dimensionnement de séchoirs (séchage par entraînement)

� Il n’y a pas de modèle général simple permettant le dimensionnement de séchoir à séchage par entraînement

� Chaque séchoir nécessite le développement d’un modèle propre, adapté à la configuration des flux de matière et de chaleur mis en jeu.

Le réflexe :

1) écrire les équations globales de conservation de matière et

de chaleur

2) écrire les équations locales de conservation de matière et

de chaleur, puis les simplifier si les hypothèses le permettent


Équations générales - séchoirs continus : bilans globaux

Il est essentiel, avant de commencer tout calcul de dimensionnement, de connaître globalement les quantités de matière et de chaleur à mettre en jeu.

� Bilan matière global en eau :

� Bilan enthalpique global :

( ) ( )fimsifa XXmYYm −=− &&

( ) ( ) exsfsimspifa QHHmQHHm &&&& +−=+−

sfsi

if

fi

if

HH

HH

XX

YY

−−

=−−

)T,X(H,X,m sffsffms&

)T,Y(H,Y,m iiiia&)T,Y(H,Y,m ffffa&exQ&

pQ& )T,X(H,X,m siisiims&

NB : dans le cas d’un séchoir adiabatique, on a la relation


Bilans globaux matières et thermiquesExemple : séchage par atomisation d’un slurry minéral

Données d’entrée :

• Air : Te = 525°C, Ts =110°C, Ye = 10 g/kg air sec

• Slurry : débit ms = 16 t/h, PAF entrée =77,1%, PAF sortie = 10,6%, Tse = 25°C

• Brûleur : débit de gaz naturel = 1100 Nm3/h, PCS = 11,09 kWh/Nm3 T. entrée = 525 °C et T. air ambiant = 17 °C

Données intermédiaires :

Cpa = 1 kJ/kg°C, Cpwg = 1,9 kJ/kg°C, Cph = 1,15 kJ/kg°CCpwl = 4,18 kJ/kg°C, La = 2450 kJ/kg, Cps = 1,3 kJ/kg°C

Quel est le débit d’air de séchage ?


Solution …


Bilans matière : deux équations

�� Bilan matière local en eau :

�� Quantité d’eau échangée

entre les deux phases :

0dXmdYm VdV,msVdV,a =+ &&

)YY(dVkdXmdYmmd V*VV

'mVdV,msVdV,awdV −σ=−== &&&

*VY

Séchoirs continus : bilans matières locaux

• Hypothèses :• surface d’échange gaz - solide par unité de volume de séchoir σσσσV (m2/m3)

• élément de volume de séchoir dV adiabatique

• les variables XV, YV, TV et TsV sont homogènes dans dV

dVσσσσV

)T,X(H,X,m sVvsVvdV,ms&

)T,Y(H,Y,m VvVvdV,a&

)dTT,dXX(dHH,dXX,m sVsVvvsVsVvvdV,ms ++++&

)dTT,dYY(dHH,dYY,m VVvvVVvvdV,a ++++&

où est l’humidité absolue de l’air dans la couche limite du produit


Séchoirs continus : bilans enthalpiques locaux

Bilan enthalpique local :

• Comme :

• Il vient :

Avec : enthalpie de l’eau vapeur à la température TV

enthalpie de l’eau liquide à la température TsV

Le bilan enthalpique s’écrit finalement :

•

0dHmdHm sVdV,msVdV,a =+ &&

( ) ( ) sVLTpwV

TpssV0V

gTpwVV

TpaV TcXcHetTcYTcH VVVV +=λ++=

( ) ( ) VgTwV

gTphV0V

gTpwV

gTpwV

TpaV dYHdTcdYTcdTcYcdH VVVVV +=λ+++=

( ) VLTwsV

sTphVsV

LTpwsV

LTpwV

TpssV dXHdTcdXTcdTcXcdH sVsVsVsVsV +=++=

( ) ( ) 0dXHdTcmdYHdTcm VLTwsV

sTphdV,msV

gTwV

gTphdV,a

sVsVVV =+++ &&

VgTwH

sVLTwH


Séchoirs continus : bilans thermiques locaux

La quantité de chaleur échangée entre de la phase gaz vers la phase solide s’écrit : ( )sVVVcvc TTdVhQd −σ=&

( ) sVdV,mssTphVdV,msTsVVVcvc dTmcdXmTTdVhQd sV

sV&&& +λ−=−σ=

0dTcm VgTphdV,a

V <&

( ) ( )sVVV gTw

gTwVdV,aV

gTphdV,asVVVcvc HHdYmdTcmTTdVhQd −+=−σ−=− &&&

( ) ( ) 0HHdYmdT)T(cdYmTTcdYm sVVV

sV

VsV gTw

gTwVdV,a

TT

gpwVdV,asVV

TgTpwVdV,a >−=∫=−→

&&&

0dXm VdV,msTsV>λ− &

0dTmc sVdV,mssTph

sV >&

Vis-à-vis de la phase solide, cette quantité de chaleur sert :

� A vaporiser la quantité dXV d’eau :

� A chauffer de dTsV le reste du solide :

Vis-à-vis de la phase gaz, cette quantité de chaleur sert :

� A baisser de dTv la température de la phase gaz :

� A chauffer la fraction d’eau reçue par le gaz de TsV à TV :

NB : on peut facilement montrer que [T2] + [T3] ⇔⇔⇔⇔ [T1]


Séchoirs continus : cinétique de séchage

� L’ensemble des bilans précédents se réduit à un ensemble de quatre équations :

� deux équations issus du bilan matière

� deux équations issues des bilans enthalpiques / thermiques

� ... pour cinq inconnues :

� XV, YV, TV, TsV et ... !

�C’est la cinétique de séchage qui va permettre la résolution du système tout en le simplifiant, en éliminant indirectement la nécessité de connaître

*VY

*VY


Exploitation de la cinétique de séchage pour le dimensionnementd’un séchoir convectif

Échantillon (env. 10 g) :X0 : humidité initiale (kg/kg ms)mms : masse de matière sècheXc et Xe: humidités critique et d’équilibre

Air chaud :Ta, Ya, va fixés

Transfert de chaleur G-S :h : coefficient de transfertS : surface d ’échange

Balance

X

tT

t

Xc

TS0

T

T

h a

A

Xe

X0

(1) (2) (3)

QC O QC(X)

QC : flux de chaleur échangée entre les deux phases

On a : Qev(X) = =

−λ

dt

dXmmsTs

chaleur cédée par

l’air pour évaporer l’eau

XXcXe

X0

(1)

( 2)

( 3)

−

dt

dX

evdt

dX

−

q

ec

ew

evwc

XX

XX)X(ravec

dt

dX)X(r

dt

dX:XX

−−

=

−=

−≤

)TT(hS)X(rQ)X(r haaw0cw −==

XXcXe X0

(1)

( 2)

( 3)

QC O

rw(X)QCO

Conclusion : “en donnant, pour X < Xc donné, la quantité d’eau évaporéependant dt, la cinétique de séchage permet de déterminer le flux de chaleurcédé par l’air pour évaporer dX d’eau dans le solide :c’est la fraction rW(X) du flux qui serait échangé entre les deux phases en

régime de flux évaporatoire constant”

Qev(X) dt = - dX mms λλλλTs = rW1(X) QCOdt, où QCO = hS (Ta - Tha)q

ec

ew XX

XX)X(r

−−

=


Exploitation de la cinétique de séchagepour le dimensionnement d’un séchoir convectif

Flux évaporatoire constant : QC O dt = hS (Ta - Tha) dt = - dX mms λλλλTha

Flux évaporatoire décroissant : QC(X) dt = hS (Ta - Ts) dt = - dX mms λλλλTs + smms Cph dTs

Evaporation Chaleur sensible

q

ec

ew

wmsT

haa

evw

XX

XX)X(r:avec

)X(rm

)TT(Sh

dt

dX)X(r

dt

dX

ha

−−

=

λ−

=

−=

−

rW(X) QCOdt ((((QC(X) - rW(X)QCO) dt

Cinétique de séchage : = =

XXcXe

X0

(1)

( 2 )

( 3 )

−

dt

dX

evdt

dX

−

Conclusion

En donnant, pour X < Xc donné, la quantité d’eauévaporée pendant dt, la cinétique de séchage permetde déterminer le flux de chaleur cédé par l’air pour évaporer dX d’eau dans le solide : c’est la fraction

rW(X) du flux qui serait échangé entre les deux

phases en régime de flux évaporatoire constant


Système d’équations permettant de modéliser un séchoir convectif(cf. annexe)

� Bilan matière local en eau :

� Bilan enthalpique local:

� Quantité de chaleur échangée entre les phases :

0dXmdYm VdV,msVdV,a =+ &&

( ) ( ) 0dXHdTcmdYHdTcm VLTwsV

sTphdV,msV

gTwV

gTphdV,a

sVsVVV =+++ &&

( ) sVdV,mssTphVdV,msTsVVVcvc dTmcdXmTTdVhQd V

sV&&& +λ−=−σ=

( ) ( )sVVV gTw

gTwVdV,aV

gTphdV,asVVVcvc HHdYmdTcmTTdVhQd −+=−σ−=− &&&

et

� Quantité d’eau évaporée et montée en température du solide :

( )[ ]hVVVcvvw0cvwVdV,msT TTdVh)X(rQd)X(rdXm

sV−σ==λ− &&

( )[ ]hVVvxsVVVcv0cvwcsVdV,ms

sTph TT)X(rTTdVhQd)X(rQddTmc V −−−σ=−= &&&


Coefficient de transfert de chaleur pour différents séchoirs(extrait de [6], cf. Biblio)

ηρ

=

λ

η

ρ==

=

DuRet

c

cu

hPSj

Raj:nCorrélatio

e

3/2

p

p

3/2rtH

n

eH

JH : Heat transfer factorSt : nombre de StantonPr : Nombre de PrandtlRe : Nombre de Reynoldsh : heat transfer coefficient (W/m2K);D : particle diameter (m)λ : thermal conductivity of fluid (W/mK);ρ : density of the fluid (kg/m3)Cp : specific heat of the fluid (J/kgK);η : dynamic viscosity of fluid (kg/ms)u : fluid velocity (m/s).

A plateaux (flat plate)

Tournant (rotary)

A lit fixe (packed bed)

Lit fluidisé (fluidised bed)

Atomiseur (spray)

Flash (pneumatiques)


Exemple de modélisation d’un séchoir convectif : au cas par cas pour les trois phases ...

Air : débit de 1000 kg/h, d’humidité Yi = 10 g/kg, d’où mas = 990 kg/h, Ti = 250°C, Text=20°CSolide : débit de 100 kg/h, Xi = 1 kg/kg, d’où mms = 50 kg/h, Tsi = 20°C

On désire pour le solide une humidité résiduelle de 5%Séchoir : tambour à co-courant, avec un coefficient d’échange linéique de 120 000 J/mhK

2,0

X

XX

XX)X(rséchagedeCinétique

q

ec

ew =

−−

=

Questions :

• Quelle doit être la longueur du tambour ?• Quelles sont les caractéristiques de l’air de sortie ?• Que décrivent l’humidité et la température de l’air ?• Quelle est la température de sortie du solide ?• Quelle est l’efficacité du séchoir

Données :

• Température humide de l’air entrant : Thi = 54°C• Cph : 1,15 kJ/kg°C, et Lw = 2450 kJ/kg


Phase d’initiation

Première phase d’initiation :On fait l’hypothèse qu’aucun séchage n’est amorcé : c’est un simple échange de chaleur sensible : dXv = dYv = 0

Tant que Ts < Th : simple élévation de la température du solide sans évaporation d’eau

[ ] dzShTTdTcmdTcm

:où

,dTTT

dTTT

VcvsssTphms

gTpha

sz,sdzz,s

zdzz

szz σ−==−

+=

+=

+

+

&&

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Longueur dans le séchoir (m)

T air

T solideTempératures du gaz et du solide

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2


X

Humidité du solide

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07


Y

Humidité de l'air

Y


Phase à flux évaporatoire constant

Seconde phase à flux évaporatoire constant :On fait l’hypothèse que la température du solide reste constante (à sa température adiabatique) : dTs = 0 (Ts= Thi)

Dès que Ts = Th et tant que X > Xc :

hzszdzz,s TTT)1 ==+

( )hzzVcvmsT

zdzz

TTdzShdXmoù

dXXX)2

sz−σ=λ−

+=+

&

dXm

mdYoù,dYYY)3

a

mszdzz

&

&−=+=+

( ) ( )( )hzzVcvmsTz

gTpha

msTgTw

gTwzaz

gTphahzzVcv

zdzz

TTdzShdXmdTcm:soit

dXmHHdYmdTcmTTSdzh:où

,dTTT)4

sz

z

sz

szzz

−σ−=λ≈

λ=−+=−σ−

+=+

&&

&&&

)XX(cm

LmTT:Avec

TT

TTln

ah

cm

TT

dT

ah

cmZ:où'D

cigTpha

wmsif

hif

hii

cv

gTphaT

Thzz

z

cv

gTpha

z

z

i

f

z

−−=

−−

≈∫−

=

&

&

&&

0

50

100

150

200

250

300


T air


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2


X

Humidité du solide

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07


Y

Humidité de l'air

Y

=5,5 m

=160°C

� dX

� dY

� dT

� dTs = 0


Phase à flux évaporatoire décroissant

0

50

100

150

200

250

300


T air


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2


X

Humidité du solide

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07


Y

Humidité de l'air

Y

Troisième phase à flux évaporatoire décroissant :C’est là qu’on utilise la cinétique de séchage, qui permet de déterminer la fraction du flux de chaleur :

• utilisée pour évaporée l’eau• utilisée pour monter le solide en température

Dès que X < Xc :

( ) )X(rTTdzShdXmoù

,dXXX)1

whzzVcvmsT

zdzz

sz−σ=λ−

+=+

&

dXm

mdYoù,dYYY)2

a

mszdzz

&

&−=+=+

( ) ( )

szsTphmsmsTz

gTpha

szsTphmsmsT

gTw

gTwzmsz

gTphaszzVcv

zdzz

dTcmdXmdTcm:soit

dTcmdXm

HHdXmdTcmTTSdzh:où

,dTTT)4

sz

sz

z

sz

sz

szzz

&&&

&&

&&

+λ−≈−

−λ=

−−=−σ−

+=+

[ ] dzSh)TT()X(rTTdTcmoù

,dTTT)3

VcvhzwsssTphms

sszdzz,s

sz σ−−−=

+=+

&

en général négligeable

� dX

� dY

� dT

� dTs


Réponses au problème

• longueur du tambour : 10 m

• caractéristiques de l’air de sortie :

122 °C, 58 g/kg

• température de sortie du solide : 103 °C

• l’humidité et la température de l’air décrivent dans une premier temps : une courbe de saturation adiabatique

• efficacité du séchoir :

%55C20250

122250

C20T

TT

mentfonctionnedeTsaàair'lamenerpournécessaireEnergie

air'lparcédéeEnergie

i

fi =°−

−=

°−−

=

°=η

100110120130140150160170180190200210220230240250260

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Y (humidité absolue)

Tem

pé

ratu

re (

°C)

Température et

humidité de l'air


Sommaire

Quelques généralités






Classification des technologies de séchage

• La technologie des séchoirs est un domaine où les équipementiers ont été fortement imaginatifs ! ! !

• Cela peut s’expliquer par : la diversité des produits à sécher, des tonnages traités, des contraintes liées au produit, etc, conduisant à une très grande variété de solutions.

• De nombreuses classifications de séchoir sont possibles, mais aucune ne permet une classification exhaustive, ou conceptuellement rigoureuse ...

• Une bonne approche repose :

• sur le principe de séchage

• le temps de séjour du produit dans l'appareil


Choix d’un séchoir : conduction ou convection ?

� Avantage des séchoirs par convection / entraînement :le mode d'apport de la chaleur par l'air chaud est simple à réaliser

l'air peut servir de moyen de transport du produit

à pression ordinaire, les températures des produits peuvent rester

basses (produits thermosensibles)

les allures de transferts obtenues par des valeurs élevées de (T - Ts)

peuvent être rapides, ce qui conduit à des séchoirs compacts (donc

moins coûteux) et des temps de séjour courts (ce qui limite les

dégradations du produits).

� Avantage des séchoirs par conduction :le séchage s'effectue à l'abri de l'air, ce qui est intéressant pour des

produits oxydables,

sa consommation thermique (lyophilisation mise à part) est

généralement moindre que celle du séchage par entraînement.


Classification des technologies de séchage par entraînement

• temps longs :� séchoirs à chariots, en armoires� séchoirs verticaux ( type : à céréales)� séchoirs bennes ("bin-dryers")� séchoirs sur tamis en couche épaisse (touraillage du malt)� séchoirs à bandes

• temps courts :� séchage en cylindre rotatif� avec transport mécanique � avec transport pneumatique et mécanique ( type : à fourrage)� séchoirs à fluidisation� séchoirs-broyeurs à sélecteur

• temps ultra-courts� séchoirs de liquides par dispersion (ou "spray" ou "atomisation")� séchoirs à transport pneumatique « flash »


La texture du produit comme critère de choix d’un séchoir

• On distingue :les produits pompables (liquides, pâtes fluides) : spray-dryer, cylindres

chauffants, ...

les produits pâteux (purées) : séchoirs sur cylindres chauffants, sur bande, à vis, ...

les produits pulvérulents ou susceptibles d'être émiettés (gâteaux de filtration) : séchoirs à tapis, en cylindre rotatifs, à descente par gravité, à lit fluidisé, par transport pneumatique (flash), ...

les produits en morceau de l'ordre du cm (fruits, saucissons, fromages) : séchoirs discontinus ou armoires, à claies, à chariots, ...


Le bon séchoir pour le bon produit d’après Strumillo et Kudra

Slurry pompable

ou suspensionSlurryPâte peu visqueuse

Pâte visqueuse SolutionEmulsion

Poudre fine (< 10 µm)

Poudre (10 à 200 µm)

Granulés (0.2 à 5 mm)

Agrégats

Poudre agglomérée

- Séchoir à videavec mélangeur

- Tambour

- Tambourconductif à film

- Atomiseur

- Atomiseur double

effet (granulation)

- Lit à jet

(spouted bed)

Miseen

forme pré

alableMise en forme préalab le

Mise en forme

préalable

Liquéfact

ion

- Plateaux

- Tambour- Plateaux

- Tambour

- Tambourconductif à film

- Atomiseur- Lit fluidisé

- Lit à jet

- Séchoir à bande

- Lit fluidisé

- Séchoir

pneumatique

- Lit à jet

- Plateaux

- Séchoir à

bande- Tambour

- Tambour

conductif à film

- Atomiseur

- Atomiseur double

effet (granulation)

- Lit à jet


Le bon séchoir pour le bon produit d’après Strumillo et Kudra

Monodisperse Polydisperse Monodisperse Polydisperse Monodisperse Polydisperse

Solidegranulaire

Structure cristallineHumidité superficielle

Structure colloïdaleouporeuseEaude liaison

Thermosensible Non thermosensible Thermosensible Non thermosensible

-Séchoir flash (TP)-Litsà jet-Séchoir à lit f luidisé-Séchoir à litvibro-f luidisé

Tambourtournant(co-courant)

-Séchoir f lash (TP)-Litsà jet

-Tambourtournant(contre-courant)

-Séchoir à plateaux-Tambour tournant(co-courant)-Séchoirsà bande-Lit fluidisémulti-étagé-Lit vibro-fluidisé

-Litsà jet -Tambour tournant(contre-courant)-Lit fluidisé-Litvibro-fluidisé


Critère de choix d’un séchoir : circulation relative air/produit

• Dans le cas des séchoirs continus par entraînement, on doit choisir le mode relatif de déplacement de l'air et du produit.

La configuration à contre-courants est la plus relationnelle, puisqu'elle permet de saturer au maximum l'air par contact avec le produit le plus humide. Cependant, le produit séché sortant est en contact avec l'air le plus chaud, d'où il résulte un fort risque de détérioration de la qualité pour les produits thermosensibles.

C'est pourquoi la circulation à co-courants est en pratique plus utilisée : elle permet d’attaquer avec un air très chaud, sans trop de risques pour le produit.

Le système à courants croisés n'a aucun des avantages des précédents. Toutefois, il est simple et se prête bien au cas d'un produit transporté sur lit fluidisé. Dans la pratique, pour des raisons énergétiques, on juxtapose souvent plusieurs sections de ce type, dans lesquelles le produit passe successivement. L'air, lui, est totalement ou partiellement recirculé de l'une à l'autre de ces sections.

Il existe en fin des systèmes mixtes (section à co-courant et section à contre-courant) ou comportant des recyclages partiels de l'air sur le séchoir.


La relation temps/température comme critère de choix d’un séchoir

L'évolution des températures au cours du temps de séchage peut dégrader le produit.

Ceci conduit, pour les produits thermosensibles, à :Privilégier les séchoirs à basse température et à temps de séjour réduit

Rechercher les conditions évitant l'échauffement du produit notamment en fin de séchage

Éviter que les produits aient l'occasion de coller durablement aux pièces du séchoir qui sont à la température sèche de l'air, toujours plus élevée que celle à laquelle se met le produit en cours de séchage.

Faire en sorte que les particules les plus petites, séchant plusrapidement que les autres, donc risquant de s'échauffer, séjournent moins longtemps dans l'appareil. Le séchage pneumatique réalise cet objectif. Le problème des risques d'incendie pousse également à éviter le séjour prolongé de particules sèches.

Refroidir le produit sec, si nécessaire, à la sortie du séchoir.


Choix d’un séchoir : batch ou continu ?

Les séchoirs batch :• Normalement conseillés pour de faibles débits de produits (inférieur à

5000 kg par jour).

• De tels séchoirs sont très polyvalents : on peut y traiter différents produits.

• Les conditions de séchage peuvent être facilement changées.

• Technologies flexibles, modifiables sans coûts élevés.

Les séchoirs continus :• Préconisés pour les productivités élevés

• Ils sont plus simples pour le reste du process en diminuant les temps de traitements par rapport aux opérations en batch.

• Le séchoir rotatif est probablement le séchoir de référence, en terme de produit traité, particulièrement dans l’industrie minérale.


Choix d’un séchoir batch d’après Van’t Land

T empérature maxdu produit < 30°C

Oxydat ion du solidepar l'air de séchage

Humidité ou solide

toxiques

Flluidisat ion possibledu solide

Vapeur du solide

inflammable

Agit at ion

nécessaire

Agit at ion

nécessaireAgitat ion douce

Agit at ion moyenne

Séchoir à

lit fluidisé

Séchoir

à plat eaux

Séchoir à

pâles agit ées

Séchoir àplateaux

sous vide

Séchoir àpâles sous vide

(N = 75 min-1)

Séchoir sous

vide conique(N = 10 min-1)

T ype séchoir

à linge

O

O

O

O

O

O O

O

O

N

N

N

N

N

N

NN

N


Choix d’un séchoir continu d’après Van’t Land

Diminution de la taille des particulesO

N

O

O

N

NO

N

O

O

NN

N N

O

O

Solvant à évaporer autre que l’eau

Particules > 10 mm

Température max produit > 75°CAugmentation de la taille des particules

AdditivationRemise en slurry

Temps de séchage< 10 s

Taille des particules> 10 µm Fluidisation

possible

AtomiseurLit

fluidiséTambour ou séchoirconductif à disques

Séchoirflash

Séchoirà bande

Séchoir broyeurpneumatique

Séchoir àplateaux

(D’après van’t Land 1984)


La grande diversité technologique rend difficile le choix d’un séchoir !!!

Diminution de la taille des particulesO

N

O

O

N

NO

N

O

O

NN

N N

O

O

Solvant à évaporer autre que l’eau

Particules > 10 mm

Température max produit > 75°CAugmentation de la taille des particules

AdditivationRemise en slurry

Temps de séchage< 10 s

Taille des particules> 10 µm Fluidisation

possible

AtomiseurLit

fluidiséTambour ou séchoirconductif à disques

Séchoirflash

Séchoirà bande

Séchoir broyeurpneumatique

Séchoir àplateaux

(D’après van’t Land 1984)


Le choix d’un séchoir : quelques critères annexes

• facilité de conduite pour les opérateurs• stockage et l’approvisionnement du séchoir en produit :

• problèmes d’alimentation de la substance dans le séchoir• variabilité de l’humidité des produits d’alimentation

• équipements pour le préformage ou équipements pour réinjecter les fines,• convoyage du produit durant sa phase de séchage• possibilité d’accéder à l’intérieur du séchoir :

• accès difficile pour le nettoyage et la maintenance,• réparation de matériel à l’intérieur du séchoir

• équipements pour collecter le produit sec : séparation ultérieure gaz-solide (cyclone, filtres à manches)

• équipements auxiliaires pour l’approvisionnement en chaleur, faire le vide, réfrigérer, pour la séparation ultérieure gaz-solide (cyclone, filtres à manches)

• maintenance des appareils de ventilation, des conduites et autres parties mécaniques

• ... !


Tests pour le choix d’un séchoir : voir démarche info-scale(tests disponibles dans les services d’analyse et de procédé)

• l’acquisition de la cinétique de séchage en cellule convective (séchage par entraînement)• test de fluidisation en cellule de fluidisation (séchage en lit fuidisé)• des échantillons peuvent être mis à l’intérieur d’un cylindre en rotation pour déterminer si les particules présentent des caractéristiques d’écoulement libre (séchage tambour)

• des petites quantités de produits peuvent être mises sur un plateau incliné chauffé pour constater si la dépose est satisfaisante / mesure de coulabilité en Hosokawa (séchage en lit fixe)

• une granulométrie laser, un tamisage du produit ou un examen au microscope indiquent la taille moyenne des particules, et la répartition granulométrique

• le roulement des particules les unes contre les autres, ou tout autre test d’attrition calibré, permet de déterminer la friabilité du produit ainsi que sa capacité à créer des fines

• une mesure de viscosité permet de montrer si le produit peut être pulvérisé sous des conditions normales (visco max en général de 600 cp)

• la sensibilité thermique du produit doit être étudiée en plaçant des échantillons à différentes températures pendant un temps donné / une mesure d’ATD-ATG (analyse thermo-différentielle ou thermo-gravimétrique) permet de repérer les zones de dégradation des produits organiques (couplage spectro de masse)

• l’acquisition de données sur l’explosivité des poudres (Emi, Tmi, Kst) est indispensable pour les poudres organiques pour opérer dans les conditions de sécurité


Bibliographie

1. BIMBENET J.J. « Le séchage dans les industries agricoles et alimentaires », Cahier du Génie Industriel Alimentaire. 4° cahier du GIA. Ed sepaic.

2. CHARREAU A. & CAVAILLE R., « Séchage : I Théorie et Calculs », Les Techniques de l’Ingénieur - J 2480. / « Séchage : II Appareillage et choix d’un procédé», Les Techniques de l’Ingénieur - J 2480 / unitaires / Séchage / J2 480-484

3. KIRANOUDIS C.T., MAROULIS Z.B. & MARONIS-KOURIS D., « Design and Operation of Convective Industrial Dryers », AIChE Journal November 1996 Vol. 42 pp 3030-3040.

4. KEEY, R.B. : “Drying principles and practice”, Pergamon Press Oxford, 1972 / “Drying of Loose and Particulate Materials », Hemisphere Publishing Corporation, 1992.

5. VAN’T LAND, C.M. : « Selection of industrial dryers », 1984, Chem. Eng., vol. 91, n°5, pp.53-61.

6. MK KROKIDA, ZB MAROULIS, D MARINIS KOULIS: « Heat and mass transfer in drying: compilation of literature data », Drying Technology, Vol 20, n°1/2002, pp. 1-18

7. STUMILLO, C. AND KUDRA, T. : « Drying Principles, Applications and Design » Gordon and Breach, London.

8. AS MUJUMDAR : « Handbook of Industrial Drying », “Practical Guide to Industrial Drying”, “Advanced Drying Technology”

9. EU SCHLUNDER : “Heat Exchanger Design Handbook”

10. C.T. KIRANOUDIS, Z.B. MAROULIS, and D. MARINOS-KOURIS : « Design and Operation of Convective Industrial Dryers », AIChE Journal, vol. 42, n°11, 3030-3040, nov. 1996. / « Modelizing and Optimization of Fluidized Bed and Rorary Dryers » », Drying Technology, 15 (3&4), 735-763, 1997.

11. J.A. ABBOTT : « Prevention of Fires and Explosions in Dryers - A User Guide », 2nd Ed., Inst. Chem. Eng., Rugby, UK, 1990.

12. BARTKNECHT : « Explosions. Course Prevention Protection, rev. 2nd ed. », Springer-Verlag, New-York, 1981.


Rh

1%2%5%

10%15%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%

100%

Tem

péra

ture

(°C

)

0 1

0 2

0 3

0 4

0 5

0 6

0 7

080 9

0

100

020

4060

80100

140

120

160

180

200

220240

260

0 10 20 30 40 50 60

Humidity (g/kg)

Enth

alpie

(kJ/kg)

MERCI DE VOTRE ATTENTION !!

Avan

tla fo

rmatio

n

Après la formation !

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NomenclatureVariable : Unité : Signification :

aw - Activité de l’eau dans un solidecp J/kgK Capacité calorifique (chaleur massique)cpa (T) J/kgK Capacité calorifique de l’air à la températ ure T

c paT

J/kgK Capacité calorifique de l’air à la température T

c paT T1 2→

J/kgK Capacité calorifique de l’air entre T1 et T 2

H J/kg Enthalpie de l’air humide (en J par kg d’air sec)H s J/kg Enthalpie d’un solide humideh cv J/sm

2K Coefficient de transfert de chaleur convectif

h cd J/sm 2K Coefficient de transfert de chaleur conducto -- convectifkm kg/sm

2K Coefficient de transfert de matière (gradient de pression)

k’ m kg/sm2 Coefficient de transfert de matière (gradient d’humidité absolue)

L m Largeur d’un séchoirm w kg Masse d’eaumms kg Masse de solide sec dans un échantillon de produit

&m a kg/s Débit en air sec

&m ms kg/s Débit en solide sec

&m w kg/s Débit en eau

M kg/mol Masse molairen mol Quantité molairep t Pa Pression totalepw Pa Pression partielle de l’eau dans l’air

&Q J/s Flux de chaleur

S m Section d’un séchoirT °C, ou K Températuret s Tempsx kg/kg Fraction massique en eau dans le solideX kg/kg Humidité absolue du solide : masse d’eau par kg de solide secy mol/mol Fraction molaire en eau de l’airY kg/kg Humidité absolue de l’air (kg d’eau par kg d’air sec)y r - Humidité relative (degré d’hygrométrie)Y r - Taux de saturationz m Coordonnée spatialeZ m Longueur d’un séchoirλ T J/kg Chaleur latente de vaporisation de l’eau à la température Tλ ct J/msK Conducticité thermiqueσ m

2/m

3 Surface d’échange phase gaz / phase solide par unité de volume


Nomenclature

Indice / Signification Exemple :

exposant

a Relatif à l’air sec c pag

: capacité calorifique de l’air sec

c Critique Xc : Humidité absolue critique du solidee Equilibre Xe : Humidité à l’équilibre du solide

g Relatif à l’état gazeux c pwgT

: capacité calorifique de la vapeur d’eau à la température T

h Relati f à la température humide c cph

g

phs

, : c p de l’air humide, du solide humide

L Relatif à l’état liquide c pwL

: capacité calorifique de l’eau liquide

p Pertes thermiques &Q p : chaleur perdue aux parois du séchoir

s Relatif au solide T s : température du solide

S Relatif à la surface du solide TsS

: température à la surface du solide

sat Relatif à la saturation psat(T) : pression partielle en vapeur d’eau à saturation et à T

w Relatif à l’eau pw : pression partielle en vapeur d’eau dans le gaz* Relatif à l’interface gaz - solide T* : Température à l’interface gaz - solide


Exploitation de la cinétique de séchagepour le dimensionnement d’un séchoir convectif

Flux évaporatoire constant : QC O dt = hS (Ta - Tha) dt = - dX mms λλλλTha

Flux évaporatoire décroissant : QC(X) dt = hS (Ta - Ts) dt = - dX mms λλλλTs + smms Cph dTs

Evaporation Chaleur sensible

q

ec

ew

wmsT

haa

evw

XX

XX)X(r:avec

)X(rm

)TT(Sh

dt

dX)X(r

dt

dX

ha

−−

=

λ−

=

−=

−

rW(X) QCOdt ((((QC(X) - rW(X)QCO) dt

Cinétique de séchage : = =

XXcXe

X0

(1)

( 2 )

( 3 )

−

dt

dX

evdt

dX

−

Conclusion

En donnant, pour X < Xc donné, la quantité d’eauévaporée pendant dt, la cinétique de séchage permetde déterminer le flux de chaleur cédé par l’air pour évaporer dX d’eau dans le solide : c’est la fraction

rW(X) du flux qui serait échangé entre les deux

phases en régime de flux évaporatoire constant

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