|
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 - -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 )
|