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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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