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RÉSUMÉ
Le séchage est l’opération permettant de faire passer un produit de son état initial dit « humide » (selon le cas solide ou liquide), à un état final dit « solide sec ». Pour cela, il s’agit de retirer une partie du solvant d’un corps afin d’obtenir un produit fini sous la forme d’un solide, d’un « solide divisé » ou de poudre. Cet article s’attarde à expliquer les différents principes de séchage, les conséquences sur la transformation du produit et sur sa qualité finale. Pour cela, deux modes de séchage différents sont abordés. Le séchage convectif par air chaud et le séchage convectif par entraînement sont expliqués en détail à travers les propriétés de l’air humide, les bilans matière et enthalpie sur le produit et sur l’air, les transferts et phénomènes limitants, etc.
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Jean VASSEUR : Ingénieur GREF – Docteur Ingénieur - Professeur à AgroParisTech-Massy (ex ENSIA) – UMR 1145
INTRODUCTION
Cet article est le premier d'un ensemble consacré aux principes et calculs des séchoirs industriels, ensemble constitué de :
et « Séchage convectif par air chaud » (parties 1 et 2).
« Autres modes de séchage que l'air chaud ».
Il est complété par trois diagrammes de l'air humide , , .
Pour les aspects pratiques et le choix des sécheurs, le lecteur se reportera au dossier rédigé par Patricia ARLABOSSE (ENSTIMAC).
Ce premier article s'attache à décrire les lois physiques associées aux différents principes de séchage, pouvant conduire à des « histoires hydrothermiques » suivies par le produit assez différentes, avec des conséquences sur la transformation du produit au cours du procédé, et donc sur sa qualité finale. On fournira les bases de calcul des séchoirs, concernant les bilans de chaleur et de matière, et les transferts qui fixent la durée de traitement et la dimension des installations. L'apparition de porosité, la texture du produit final et/ou sa déformation au cours du procédé sont aussi des paramètres du séchage à considérer.
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1. Considérations générales sur le séchage
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Principe
Le séchage est une opération consistant à retirer une partie du solvant d'un corps, par vaporisation de ce solvant, le produit final dit « sec » étant obtenu sous une forme solide de taille variable, éventuellement de « solide divisé » ou de poudre. Le produit passe ainsi d'un état initial dit « humide », selon le cas solide ou liquide, jusqu'à un état final dit « solide sec », même s'il contient encore une teneur en eau (ou solvant) résiduelle.
Le solvant considéré est le plus souvent l'eau, et nous ne présenterons ici que le séchage de l'eau, les mêmes principes pouvant s'appliquer à d'autres solvants, organiques par exemple, mais en prenant les propriétés associées à ce solvant (chaleur latente de vaporisation, isothermes de sorption, etc.). Le mélange de plusieurs solvants est un cas plus complexe, non traité ici.
Le séchage est une opération de « séparation thermique », dans le sens qu'il faut fournir l'énergie de vaporisation du solvant, pour qu'il quitte le produit sous forme de vapeur. En séchage, on devra donc s'intéresser à la fois aux transferts de matière et de chaleur couplés.
Diverses techniques existent pour séparer l'eau d'un produit, qui ne supposent pas forcément sa vaporisation – pressage, égouttage, essorage centrifuge, etc. – et qu'on appellera d'une façon générale « déshydratation ». Le séchage est donc une technique particulière de déshydratation, le terme de séchage étant réservé au cas de la séparation par vaporisation du solvant. La concentration thermique d'un liquide dans un évaporateur est aussi une séparation par vaporisation du solvant, mais adaptée au cas des produits initialement liquides (et non pas des solides humides), et qui doivent rester rester « pompables » dans le procédé, donc sans aller jusqu'au solide sec final, ce qui distingue la concentration du séchage. Il y a cependant de nombreux points communs entre la concentration et le séchage par ébullition décrit dans l'article .
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Historique
Le séchage est une technique très anciennement utilisée pour la conservation des produits agricoles et alimentaires (céréales, graines, fourrages, viandes et poissons séchés, jambons, figues, noix, tabac, etc.), ou pour l'élaboration des matériaux...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Diagramme de l'air humide basses températures
-
Diagramme de l'air humide moyennes températures...
Revues traitant de l'opération unitaire séchage, indépendamment du produit :
-
Chemical Engineering Science ;
-
Chemical Engineering Processing ;
-
Drying Technology Journal ;
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International Journal of Thermal Science ;
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Journal of Heat and Mass Transfer ;
-
Journal of Food Engineering ;
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Lebensmittel Wissenschaft und Technologie.
Voir aussi les revues spécialisées produit par produit : papier, bois, céramique, plâtre, textile, colorants, lait, lessives, céréales, pharmacie, etc.
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Calcul psychrométrique en ligne http://www.psychro.com
Logiciel Commercial « Dryer 3 000 » [Windows, MacOSX ou Unix/Linux], pour le calcul de séchoirs tours à céréales, par simulation à partir des courbes cinétiques de séchage caractéristiques de chaque produit (payant). Multilangages (français, anglais, portugais) http://www.drying.org
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