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Cours de séchage: introduction

Le séchage a pour but l'élimination d'un liquide imprégnant un solide. Cette élimination peut-être réalisée soit:

  • par évaporation à l'ébullition, favorisée en travaillant sous vide
  • par évaporation et entrainement à l'aide d'un gaz, généralement de l'air.

Pour favoriser le séchage, on est souvent amené à fournir l'énergie nécessaire pour vaporiser le liquide que l'on veut éliminer. Cette énergie peut être apportée:

  • par conduction, le solide humide étant mis en contact avec une paroi chauffée
  • par convection, le solide humide étant mis en contact avec un gaz (en général de l'air chaud) qui sert à entrainer le liquide vaporisé (le séchage est alors isenthalpe)
  • par rayonnement.

L'agitation du solide est un facteur important en permettant le transfert du liquide vers la phase vapeur par évaporation, mais également le transfert thermique entre le moyen de chauffage et le solide humide. Cette agitation peut être réalisée par:

  • agitation externe du sécheur (mouvement de rotation, mouvement alternatif, vibration de basse fréquence)
  • agitation interne (racloir, vis sans fin assurant également le déplacement du solide, agitateur à palettes)
  • fluidisation à l'aide d'un gaz tiers (séchage par entrainement)
  • atomisation (mélange intime du solide et du gaz de séchage dans une turbine d'atomisation)

Dans le cas ou le liquide imprégnant le solide doit être récupéré, on réalise préférentiellement une évaporation à l'ébullition afin de condenser les vapeurs obtenues.

Lyophilisation: cet autre mode de séchage consiste à congeler l'eau liquide contenue dans le solide, puis à abaisser la pression en dessous du point triple de l'eau, et enfin à vaporiser la glace obtenue. On obtient ainsi un solide sec, dont l'eau a été éliminée par sublimation (passage de l'état solide à l'état vapeur). Ce procédé nécessite l'usage de basses températures (-25°C / -40°C), et un niveau de vide inférieur à 100Pa.

Définitions relatives au solide:

  • Teneur en humidité, notée H ou X = (masse de liquide kg / masse de solide sec kg). Bien que souvent exprimée en %, la teneur en humidité n'est pas un titre massique mais un rapport massique, et peut à ce titre varier de 0 (solide sec) à 1000% (10 fois plus d'eau que de solide)

Définitions relatives à l'air de séchage (séchage par entrainement)

  • Humidité absolue, notée Y= (masse d'eau vapeur kg / masse d'air sec kg)
  • Humidité à saturation, notée Ysat (T) = (masse maximale d'eau vapeur / masse d'air sec ) à une température donnée
  • Humidité relative ou degré hygrométrique, noté e = (pression partielle de vapeur d'eau / pression de vapeur saturante de l'eau) pour l'air considéré à la température T, soit e = PH2O / P°H2O(T)
  • Degré de saturation, noté s = (humidité absolue / humidité à saturation) = Y / Ysat
  • Température de rosée Tr: c'est la température pour laquelle la vapeur d'eau de l'air considéré commence à condenser, c'est à dire pour laquelle on a Y = Ysat , et PH2O = P°H2O(T). L'air est dit saturé si T= Tr.
  • Pour l'air humide, on considère souvent que e = s , approximation valable pour de faibles humidités absolues
  • Température sèche: c'est la température normale, mesurée par un thermomètre.
  • Température humide: c'est aussi la température de saturation adiabatique de l'air considéré. C'est la température qui serait mesurée par un thermomètre entouré de gaze constamment humidifiée, et plongé dans un courant de l'air considéré. Pour de l'air saturé, la température humide est identique à la température (sèche). Pour de l'air relativement sec, la température humide est inférieure à la température sèche due à la vaporisation d'eau jusqu'à saturation, entrainant un refroidissement de la température mesuré. Le couple température sèche - température humide est une mesure de l'humidité relative de l'air. La connaissance de ces deux valeurs permet de placer le point représentatif de l'air sur le diagramme de l'air humide
  • Chaleur massique moyenne d'un air humide Cp = Cp(air sec) + Y Cp(eau vapeur), rapporté à 1 kg de gaz sec
  • Enthalpie massique d'un air humide à une température T, noté h(T) = Cp(air sec) T + Y [Cp(eau vapeur) T + Lv(eau à 0°C)], enthalpie massique rapportée à 1 kg d'air sec, état de référence eau liquide à 0°.
  • Cp(air sec)=1.01 kJ.kg-1.°C-1
  • Cp(eau vapeur) = 1.92 kJ.kg-1.°C-1
  • Lv(eau à 0°C) = 2494 kJ.kg-1

Exemple: calculer l'humidité absolue d'un air à 20°C et de degré hygrométrique 80%, connaissant P°H2O(20°C)=2338 Pa. Calculer ensuite l'humidité à saturation et le degré de saturation s.

Pour cet air, PH2O = e x P°H2O(T) = 0.8 x 2338 = 1870.4 Pa

La pression partielle en air est donc Pair = 101325 - 0.8x2338 = 99454.6 Pa

L'humidité absolue s'écrit enfin (avec un coefficient multiplicateur de 1000 pour avoir le résultat en g/kg d'air sec):

Y = (PH2O xMH2O )/(Pair xMair ) = 1000 x (1870.4 x 18)/(99454.6 x 29)= 11.67 g/kg d'air sec.

L'humidité à saturation s'écrit: Ysat(20°C) = 1000 x (2338x18)/(101325-2338)/29=14.66 g/kg d'air sec

Le degré de saturation est enfin  s = 11.67 / 14.66 = 79.6% ( s +/- = e )