Séchage industriel : principes et calcul d'appareils - Autres modes de séchage que l'air chaud (partie 1)

Les articles précédents [J 2 451] et [J 2 452] ont présenté le « séchage par air chaud », ses applications industrielles et les techniques d'économie d'énergie, pour le cas courant où c'est l'air chaud qui apporte au produit l'énergie de vaporisation de l'eau, via des transferts convectifs air/produit. Les deux articles suivants [J 2 453] et [J 2 454] décrivent les « autres modes de séchage que par air chaud », où l'air circulant autour du produit est généralement plus froid que le produit, et où ce n'est pas lui qui apporte la chaleur utile à la vaporisation de l'eau, mais d'autres modes de chauffage, avec des avantages et des inconvénients spécifiques qui seront décrits. En particulier, on va démontrer la possibilité de diviser dans certains cas la consommation d'énergie par 2 à 15 par rapport au séchage par air chaud, en changeant de mode de séchage, ce qui est du plus haut intérêt industriel. Les articles [J 2 453] et [J 2 454] sont classés selon le mode d'apport de chaleur.

Dans [J 2 453] (présent article) :

• séchage par conduction : le produit est mis au contact d'une paroi chauffée à la température de source chaude (^oC) en surface, et la chaleur est apportée au produit par conduction à travers cette paroi, puis par conduction dans le produit. Selon les conditions, notamment de température de plaque en regard de la pression p_tot régnant côté produit, le séchage sera en mode « par ébullition » ou « par entraînement » (les définitions sont développées au § 1.1, puis reprises et résumées en [J 2 454] § 1). On présentera les possibilités d'économie d'énergie associées : la consommation est, selon le cas, de 2 à 10 fois moindre que dans le séchage par air chaud ;

• séchage par vapeur d'eau surchauffée (VES) : on remplace l'air chaud circulant autour du produit par de la vapeur d'eau quasi-pure surchauffée, c"est-à-dire dont la température est nettement plus élevée que sa température de saturation à la même pression p_tot de fonctionnement. Ce gaz « sec » peut donc chauffer le produit par convection sans se condenser, et apporter ainsi au produit l'énergie de vaporisation du séchage. En atmosphère de VES quasi-pure (en l'absence d'air), le mode de séchage est alors forcément par « ébullition » (§ 1.1). On verra que cette technique permet potentiellement une réduction considérable de la consommation d'énergie pour le séchage, qui peut tendre vers 0 quand la vapeur émise par le produit peut être utilisée et valorisée par ailleurs.

Dans [J 2 454] (prochain article) :

• séchage par rayonnement : l'énergie est apportée au produit par rayonnement, ce qui décrit les cas de chauffage par infrarouge, micro-ondes, hautes fréquences, ainsi que le séchage solaire à ensoleillement direct ;

• séchage par friture : le produit est immergé dans un bain d'huile chaude (friture par immersion), où le séchage a lieu par ébullition, situation voisine du séchage VES avec cependant des différences de mise en œuvre ;

• séchage par « lyophilisation » : la lyophilisation concerne un produit préalablement congelé, tel que l'eau passe directement de l'état solide (glace) vers la phase vapeur sans passer par l'étape de fusion, ce changement d'état étant appelé « sublimation ». Ce séchage peut se faire en atmosphère de vapeur d'eau pure sous vide, ou en présence d'un certain taux de gaz incondensables dans l'atmosphère autour du produit, la pression de vapeur étant alors une pression partielle pp_a ;

• séchage par zéolithes : le séchage se fait par transfert de vapeur entre le produit et les zéolithes régénérées, avides d'eau, et fonctionne sur le mode de « l'ébullition » quand on est dans une atmosphère de vapeur d'eau pure sous vide, comme pour la lyophilisation sans air.

Dans le paragraphe 1.1 du présent article, l'accent est mis sur la distinction fondamentale entre les deux modes de séchage « par ébullition » et « par entraînement », sur l'exemple du séchage chauffé par conduction. En effet, l'ébullition est un mode de séchage courant quand ce n'est plus l'air chaud qui apporte l'énergie au produit. Cette problématique – séchage « par ébullition » ou « par entraînement » – sera reprise tout au long des deux articles ([J 2 453] et [J 2 454]), et il nous semble utile de lire le paragraphe 1.1 avant d'aborder chaque type de séchage traité : les lois de transfert, les histoires hydro-thermiques suivies par le produit au cours du séchage, la façon de piloter les flux et la consommation énergétique du séchage sont nettement différents dans les deux cas.

On continuera dans tous les cas de s'appuyer sur le concept d'activité de l'eau a_w et de courbe de sorption (cf. [J 2 451] § 1), qui caractérise la liaison de l'eau sur la matière sèche du produit notamment au cours du séchage. L'activité de l'eau étant une caractéristique d'état attachée à l'interaction eau/produit, est par là indépendante du mode de séchage (par ébullition ou par entraînement). Mais en ébullition, on utilisera plutôt les « isobares » de sorption à p_v = Cte (pression supposée connue ou fixée) et à variable, au lieu des isothermes de sorption à fixée et p_v variable, telles qu'utilisées précédemment pour le séchage par entraînement dans l'air chaud.