Séchage Qu`est-ce que le séchage - LASSC
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Séchage Qu`est-ce que le séchage - LASSC
Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Qu'est-ce que le séchage ? Le séchage consiste à chauffer un produit afin de faire évaporer l'eau qu'il contient (ou un autre solvant). On distingue le séchage par ébullition et par entraînement. On parle de séchage par ébullition quand le produit atteint la température d'ébullition de l'eau. Lors du séchage par entraînement le produit à sécher est mis en contact avec un courant d'air plus ou moins chaud. L'air chaud transmet une part de sa chaleur au produit qui développe une pression partielle en eau à sa surface supérieure à la pression partielle de l'eau dans l'air utilisé pour le séchage. Cette différence de pression entraîne un transfert de matière de la surface du solide vers "l'agent séchant'. Séchage et énergie Afin de sécher un produit, liquide ou solide, il faut fournir de la chaleur, de l'énergie. Globalement on considère que les opérations de séchage consomment environ 15 % de l'énergie industrielle dans les pays développés. Cette part est importante et il faut essayer de trouver les moyens d'optimiser les procédés, dans une démarche économique mais aussi écologique. Toutes les partie d'un même produit n'ont pas le même comportement vis à vis de l'eau. Cela varie aussi d'un produit à l'autre, suivant sa composition biochimique : certaines structures ou molécules retiennent l'eau plus que d'autres. Lorsque le produit est très humide, l'eau qu'il contient est qualifiée de "libre". Lors du séchage, l'eau libre se comporte comme de l'eau pure. Il suffit pour la vaporiser d'environ 2250 kJ/kg. Lorsque le produit est plus sec, l'eau est davantage retenue par celui-ci et on la qualifie de "liée". L'évaporation de cette eau est plus difficile et demande plus d'énergie. Au cours du séchage c'est d'abord l'eau libre qui va être évaporée, puis l'eau de plus en plus liée : aussi la quantité d'énergie nécessaire pour vaporiser la même quantité d'eau augmente au cours du séchage. Le dernier gramme d'eau évaporé coûte beaucoup plus d'énergie que le premier. Ceci est illustré dans le tableau suivant qui reprend la consommation globale de différents types de sécheurs, rapportée à la masse d'eau évaporée. Type de sécheur Consommation en énergie (kJ/kg d'eau évaporée) Atomiseur 5000 Sécheur à tambour (rotatif) 5000 Sécheur tunnel 4000 Source : Le monde alimentaire, janvier-février 2001, pg 21 On constate que la consommation moyenne atteint plus du double de la chaleur de vaporisation de l'eau libre. Il est donc nécessaire d'évaluer quel degré de siccité* on veut atteindre pour éviter des dépenses inutiles. Par exemple, si on sait qu'un produit va se dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 1 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique conserver dès qu'il contient moins de 10 % d'humidité, il est inutile et coûteux de le sécher d'avantage. Quels secteurs sont concernés par le séchage ? Si le séchage consomme autant d'énergie c'est qu'il intervient dans de nombreuses industries. Les produits concernés nous touchent souvent de près dans la vie de tous les jours. Le choix d'une opération de séchage peut être effectué pour diverses raisons : le produit humide se conserve mal. le liquide doit être enlevé pour le déroulement de la suite du procédé. l'enlèvement de l'eau donne la texture et structure finale du produit et constitue un étape à part entière du procédé. le coût du transport est plus élevé en présence de liquide. Toutefois, vu le haut coût énergétique du séchage, celui-ci n'est généralement réalisé que lorsque des techniques moins coûteuses, essentiellement mécaniques, ont atteint leur performance maximale (la filtration, la centrifugation, la sédimentation,…). Industrie agroalimentaire Une grande partie des aliments que nous consommons ont subi une opération de séchage. Le séchage peut être une étape nécessaire à la production du produit ou un rôle dans la conservation de l'aliment . Il existe pas moins de 200 types de séchoirs industriels dans le secteur alimentaire. On peut citer par exemple : les pâtes alimentaires la viande fumée : saucisson, jambon… les fromages : séchage dans une ambiance contrôlée le sucre cristallisé est obtenu par évaporation les légumes (pois,…) et fruits secs (pruneaux, raisins, abricots…) certains biscuits apéritifs sont produits par séchage à l'air chaud à partir d'une pâte de maïs les jus de fruits sont préparés à partir d'un concentré obtenu par vaporisation le sel (gisement minier) est concassé, dissout, épuré avant d'être essoré et enfin séché jusqu'à devenir du sel raffiné. la conservation de beaucoup de types de grains ou de végétaux est assurée par le séchage : café, cacao, riz et autres céréales, feuilles de thé, épices… Certains produits en poudre : cacao, lait,… Industrie papetière Le papier est obtenu pas séchage de la pâte à papier sur des rouleaux rotatifs chauffés. dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 2 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Sécheur de pâte à papier Source : Centre de la Technologie de l'Energie du CANMET, Canada Industrie du bois Le bois qui vient d'être abattu et scié contient un fort degré d'humidité qui interdit son utilisation immédiate dans les conditions correctes, sinon on s'expose à des changements de taille et de forme du bois. Bouchons de liège Afin de garantir le meilleur vieillissement des vins, une attention toute particulière est portée à la qualité des bouchons de liège. Au cours de leur fabrication l'opération de séchage doit être parfaitement maîtrisée, au risque de donner un goût de moisi au vin. Matériaux de construction briques, carrelages,… L'industrie céramique assiettes, bols, plats… La biotechnologie et l'industrie pharmaceutique levure en poudre antibiotiques séchage de principes actifs sous forme de poudre avant pastillage. dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 3 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Sécheur pour pièces en céramique : ce séchoir est équipé de différents systèmes de séchage, pour assiettes ou pièces creuses. Le séchage est fait par air chaud à grande vitesse, avec contrôle automatique de température Source : UD.CERAM. (Limoges) Fonderie séchage des noyaux qui assurent l'élaboration des formes intérieures des pièces obtenues par moulage Les différents modes de séchage On rencontre une grande diversité dans les modes de séchage : Séchage conductif : le produit est mis en contact avec des surfaces chaudes Exemples : le séchage de pommes de terre en flocons, pâte à papier Séchage convectif : on envoie sur le produit à sécher un courant gazeux chaud qui fournit la chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée Exemples : le séchage de plantes aromatiques, de fruits, de grains, de boues d'épuration, de céramiques Séchage par infra-rouges : un rayonnement infra-rouge est appliqué sur le produit. Exemples : le séchage industriel des vernis et des peintures, du bois, des papiers, des pellicules photographiques, des cuirs, des textiles, des pâtes alimentaires; la dessiccation des légumes, des fruits, … Séchage par micro-ondes Exemples : séchage d’encre, séchage de peintures, séchage d’adhésifs, séchage sous vide de produits pharmaceutiques dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 4 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Séchage solaire : l'énergie solaire est utilisée pour sécher le produit, nécessite un ensoleillement suffisant. Exemples : séchage de piments, de plantes médicinales et aromatiques, cacao, café Séchoir de plantes aromatiques et médicinales (Venthône, Suisse) Source : Energie Solaire SA, Sierre, Suisse Séchoir de fèves de cacao (Sao-Tomé) Source : http://www.multimania.com/saotome/cacaohist.html Séchage par atomisation : un liquide ou une suspension est dispersée sous forme de fines gouttelettes dans un courant d'air chaud Exemples : fabrication du lait en poudre, d'engrais Atomisation du lait en poudre de lait Source : http://www.fao.org/docrep/T4280F/T4280F0D.GIF dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 5 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Séchage – Energie – Qualité : trouver le bon compromis La notion de qualité du produit est de plus en plus présente aussi bien dans l'industrie que dans l'opinion publique. Les clients potentiels désirent un produit qui répond à des critères de qualité de plus en plus stricts, particulièrement dans le domaine de l'alimentation. Ce critère de qualité a une influence sur la consommation énergétique des procédés. On peut comprendre de manière intuitive que le fait de sécher avec un air plus chaud va prendre moins de temps qu'un séchage avec un air 'tiède'. Si on considère l'aspect productivité, on a donc tout intérêt à sécher à haute température. Cependant une température élevée peut altérer le produit fini. Un exemple Certains séchoirs peuvent surchauffer le blé, ce qui cuit partiellement les protéines. Or, cuire les protéines détruit les propriétés de cuisson de la farine obtenue à partir de ce blé. La photo ci-dessous illustre le problème. Le pain de gauche a été préparé avec de la farine issue du blé mal séché tandis que le pain de droite a été fabriqué avec de la farine obtenue à partir de blé bien séché. Le volume du pain de gauche est nettement inférieur et la texture de la mie est moins bonne. Source : Commission Canadienne des grains Dans ce cas, il est nécessaire de sécher à une température plus basse, qui ne cuira pas les protéines du blé. D'un côté on pourrait penser gagner en énergie (car on utilise un air à température plus basse), mais il faut aussi tenir compte du fait que le séchage va durer plus longtemps. On comprend que des études d'évaluation des coûts sont indispensables et qu'il est nécessaire de bien connaître les caractéristiques de séchage du produit que l'on veut traiter. On qualifie de 'thermosensibles' les produits qui présentent des risques d'altération lors du séchage. dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 6 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Le rôle de l'ingénieur L'ingénieur intervient tout au long du projet lors de la mise en œuvre d'un procédé de séchage. Voici en résumé les étapes auxquelles il participe : Etude des caractéristiques de séchage du produit : thermosensibilité, vitesse à laquelle le produit sèche pour des conditions déterminées. Cette étude peut être effectuée dans un pilote de laboratoire comme illustré sur la photo suivante. Ce sécheur est de type convectif, l'air chaud traverse le produit à sécher qui est disposé sur une grille perforée (photo de droite). Porte-échantillon Sécheur pilote Evaluation de la quantité de produit à sécher. Choix de la technique de séchage la mieux adaptée au produit, compte tenu des critères de qualité, de rentabilité et de respect de l'environnement. Dimensionnement du sécheur et des équipements annexes. Rédaction d'un cahier des charges qui servira à obtenir des offres de prix auprès de constructeurs. Choix final de l'installation, suivi de la construction. Mise en route du sécheur et optimisation des conditions opératoires. Suivi régulier du procédé. On peut voir que les tâches sont diverses et variées pour un seul et même procédé. dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 7 Séchage Faculté des Sciences Appliquées, Département de Chimie Appliquée, Laboratoire de Génie Chimique Léonard Angélique Lexique* Infra-rouges : radiation dont les longueurs d'onde se situent entre le visible (0.6 micron) et 10 microns selon le type d’élément infrarouge Micro-ondes : ondes de fréquence située entre 915 MHz 2450 MHz. Elles permettent de chauffer un produit uniformément ou de façon sélective, selon les propriétés du produit, la fréquence de rayonnement et la puissance du générateur d’ondes. Siccité : état de ce qui est sec. Plus le pourcentage de siccité d'un produit est élevé, moins celui-ci contient-il de l'eau. dans le cadre du Printemps des Sciences 2002 http://www.ulg.ac.be/sciences Université de Liège – Haute Ecole Charlemagne – Hemes Les métiers de l’énergie – Ingénieurs de l’énergie 8