Présentation
RÉSUMÉ
Le séchage est une opération qui permet de retirer une partie du solvant (généralement de l'eau) d'un corps, par vaporisation de ce solvant. Le produit passe alors d'un état "humide" (liquide ou solide) à "sec". Le choix de la technique de séchage est importante, car elle est consommatrice d'énergie (pour fournir la chaleur latente d'évaporation). Aujourd'hui, le séchage industriel par air chaud est la méthode la plus pratiquée. Plusieurs méthodes de séchage par air chaud existent, suivant le sens de circulation relatif de l'air et du produit. Cet article propose justement d'étudier ces différents cas. Leurs principes sont successivement expliqués, ainsi que leurs conséquences sur la qualité du produit séché, l'énergie consommée et le débit du séchoir. Enfin, les bilans (globaux, enthalpiques, etc.) sont présentés afin de mesurer l'efficacité des méthodes.
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Drying is an operation which allows for removing a part of the solvent (generally water) from a body by vaporization of this solvent. The product then changes from a "wet" state (liquid or solid) to a "dry" one. The choice of the drying technique is essential as it is energy consuming (in order to provide the latent heat of evaporation). At this time, industrial hot-air drying is the most widely used method. Several methods of hot-air drying are available, depending on the relative flow direction of air and the product. This article provides a study of these various methods. Their principles are successively explained as well as their influence on the quality of the dried product, the energy consumed and the flow rate of the dryer. To conclude, assessments (global, enthalpic, etc.) are presented in order to measure the efficiency of the methods.
Auteur(s)
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Jean VASSEUR : Ingénieur GREF - Docteur Ingénieur - Professeur à AgroParisTech-Massy (ex ENSIA) – UMR 1145
INTRODUCTION
L'ensemble « Séchage industriel : principes et calcul d'appareils » est constitué de quatre articles, avec des notations communes :
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[J 2 451] Séchage convectif par air chaud (partie 1) : on y trouve les définitions et principes ;
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[J 2 452] Séchage convectif par air chaud (partie 2) dans lequel sont traitées les applications industrielles et où l'on étudie les principes d'économie d'énergie ;
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[J 2 453] et [J 2 454] Autres modes de séchage que l'air chaud.
Le présent article [J 2 452] a pour but de décrire des situations de séchage industriel courantes, où les propriétés de l'air externe au produit varient beaucoup entre l'entrée du produit P1 dans le séchoir et sa sortie P2 , situation qui est donc nettement différente du séchage en couche mince et conditions d'air externe constantes présentées en [J 2 451]. Par ailleurs, les variantes de mise en œuvre industrielle ont des conséquences sur la vitesse de séchage, le temps de séchage et sur la qualité du produit fini. Ainsi, les cinétiques « en couche mince » et en conditions constantes d'air externe exposées dans l'article [J 2 451] sont-elles seulement une étape utile pour comprendre et modéliser le séchoir industriel, qui fonctionne, lui, en conditions variables d'air externe au produit, en « passant » localement d'une cinétique à l'autre. Les applications industrielles exposées dans le présent article [J 2 452] sont donc utiles à l'ingénieur, en complément des principes décrits en [J 2 451].
Nous allons ainsi montrer qu'en séchage industriel par air chaud la consommation d'énergie du séchoir réel est généralement très supérieure à l'énergie reçue et utilisée par le produit pour évaporer l'eau, d'où une consommation d'énergie couramment de 1,4 à 4 fois la chaleur latente ΔHv (J/kg d'eau évaporée), voire plus. Si la disposition cocourant apparaît favorable aux produits thermosensibles, elle est par contre défavorable pour l'énergie. On donnera donc les outils pour répondre à la problématique de l'ingénieur, qui est de rechercher un optimum entre trois critères – économie d'énergie, qualité du produit et débit du séchoir (ou investissement) – à travers l'étude de trois cas classés en fonction du sens de circulation relatif de l'air et du produit :
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séchage à cocourant (§ 1) : dans cette catégorie, on trouve les séchoirs à tambour tournant (où le produit est dans le tambour), le séchage de liquides par dispersion, dit parfois « par atomisation »... ;
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séchage à contre-courant (§ 2) : dans cette catégorie, on trouve des séchoirs à tambour tournant à contre-courant, certains séchoirs à bandes, etc. ;
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séchage à courants croisés et mixtes (§ 3) : certains séchoirs à bande, à lit fluidisé long, etc.
Dans les paragraphes 4 et 5 : bilans et principes d'économie d'énergie, des solutions sont proposées pour évaluer et pour diminuer la consommation d'énergie du séchage par air chaud. Notons que les articles [J 2 453] et [J 2 454] « Autres méthodes de séchage que l'air chaud », offrent des opportunités d'aller beaucoup plus loin dans cette recherche d'économie d'énergie, en utilisant des techniques de séchage autres que par air chaud avec des qualités de produit différentes, liées à l'ébullition.
Le paragraphe 6 présente les principes de régulation des séchoirs par air chaud.
Les relations entre la texture finale du produit, l'évolution de sa rhéologie pendant le séchage, et le principe même du séchoir (pour produit solide ou liquide ou pâteux, en couche épaisse ou couche mince, chauffé par contact raclé ou pas, par lit fluidisé, par pulvérisation d'un liquide donnant une poudre sèche, etc.), qui sont des arguments décisifs du choix d'un séchoir, sont développés en [J 2 455].
DOI (Digital Object Identifier)
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3. Séchoirs à courants croisés et mixtes
L'échange air/produit en courants croisés correspond par exemple au cas d'un séchoir à bande perforée traversée par l'air, ou d'un lit fluidisé (souvent vibré) long continu, tel que décrit sur la figure 9. Dans ce dernier cas, l'air de séchage a une trajectoire verticale ascendante à travers le lit de produit vibro-fluidisé, tandis que la couche de produit circule à l'horizontale depuis l'entrée (P1 à gauche) vers la sortie (P2 à droite), où il sort par surverse en D, ce qui définit une circulation « à courants croisés » entre l'air et le produit. Les types de produits adaptés à ce séchoir sont décrits en [J 2 455].
3.1 Représentation sur le diagramme de Mollier et efficacité énergétique
En B, près de l'entrée du produit P1 humide, l'activité de l'eau en surface du produit est supposée élevée (aws ≈ 1), et l'air traversant le lit dans cette zone peut sortir de la couche avec une humidité relative élevée, ou quasi-saturant tel que B2. Plus loin en C en suivant l'avancement du produit, le produit est devenu sec en surface
, et sa température est alors très proche de celle de l'air qui le traverse, avec un flux de séchage (chaleur et matière) faible, face au même air A1 , de mêmes caractéristiques partout entre B et C. Dans la zone C en fin de séchage, l'air sort donc du lit de produit à peine refroidi et à peine enrichi en eau tel que C2.
L'air A2 sortant du séchoir en haut, est le mélange de ces différents airs et a donc des propriétés intermédiaires entre ceux sortant en B2 et en C2, au barycentre de tous les airs. Sur le diagramme de Mollier de la figure 10, on a positionné l'air (A2 ?)...
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Séchoirs à courants croisés et mixtes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BASSAL (A.), sous la direction de VASSEUR (J.) - Le séchage par la valeur d'eau surchauffée – État de l'art. (synthèse bibliographique). - Cahier de l'AFSIA no 13, Éd. LAGEP, Lyon, 83 p. (1996).
-
(2) - PONSART (G.), VASSEUR (J.), FRIAS (J.M.), DUQUENOY (A.), MEOT (J.M.) - Modeling of stress due to shrinkage, during drying of spaghetti. - Journ. of Food Engineering, 57(3), p. 277-285 (2003).
-
(3) - GPA Génie des procédés alimentaires. - Éd. Dunod, 573 p. (2002).
-
(4) - PÉRRÉ (P.), MOSER (M.), MARTIN (M.) - Advances in transport phenomena during convective drying with superheated steam and moisture air. - Intern. Journ. of Heat and Mass Transfer, 36(11), p. 2725-2746 (1993).
-
(5) - NADEAU (J.P.), PUIGALLI (J.R.) - Séchage, des processus physiques aux procédés industriels. - Éd. Lavoisier Tec. & Doc., Paris, 307 p. (1995).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Diagramme de l'air humide basses températures
-
Diagramme de l'air humide moyennes températures
-
Diagramme de l'air...
Revues traitant de l'opération unitaire séchage, indépendamment du produit :
-
Chemical Engineering Science ;
-
Chemical Engineering Processing ;
-
Drying Technology Journal ;
-
International Journal of Thermal Science ;
-
Journal of Heat and Mass Transfer ;
-
Journal of Food Engineering ;
-
Lebensmittel Wissenschaft und Technologie.
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