Le séchoir à lit fluidisé pulsé, une nouvelle technologie qui diminue

Le séchoir à lit fluidisé pulsé, une nouvelle technologie
qui diminue les coûts de séchage
Michel G. Poirier, Ph.D., ing., Tadeusz Kudra, Ph.D. et Radu Platon, ing. stag.
Laboratoire de recherche en diversification énergétique de CANMET,
Ressources naturelles Canada
Le séchage est un terme générique qui couvre toutes les opérations visant à éliminer l'eau contenue
dans des matières solides. Il comprend donc les procédés mécaniques comme la filtration, mais au sens
courant, on associe le séchage aux procédés thermiques, c'est-à-dire à l'élimination de l'humidité par
évaporation et plus rarement par sublimation. C'est probablement l'opération industrielle consommant
le plus d'énergie, soit environ 8,4 % de l'énergie totale utilisée par l'industrie canadienne (1995). Cette
dernière fait appel à une vaste gamme de technologies et de techniques pour assécher des produits qui
se présentent sous la forme de particules solides, de pâtes, de bouillies ou de solutions. Le Laboratoire
de recherche en diversification énergétique de CANMET a mis au point un nouveau type de séchoir
pour le séchage de particules solides : le séchoir à lit fluidisé pulsé. Cette nouvelle technologie sera
maintenant présentée et ses avantages et performances seront décrits.
Séchoir à lit fluidisé
Le terme fluidisation est utilisé pour désigner un procédé de mise en contact d'un gaz ascendant et d'un
lit de particules solides où le poids propre des particules est équilibré par la trainée due à l'écoulement
du gaz. Les particules "flottent" alors dans le gaz et le lit de particules se comporte comme un fluide,
d'où le terme "lit fluidisé". La fluidisation est l'une des techniques les plus courantes de séchage des
particules solides humides. Les lits fluidisés constituent des enceintes quasiment isothermes :
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! une agitation intense dans la masse fluidisée favorise les échanges de chaleur,
! un coefficient d'échange thermique très élevé contribue à l'isothermie du lit,
! une forte inertie thermique limite les chocs thermiques et les variations brusques de température
en fonction du temps.
Cependant, même si elle est solidement implantée dans l'industrie, la technologie du séchage à lit
fluidisé conventionnel n'échappe pas aux contraintes suivantes :
! limitée à des particules de formes sphériques ou cuboïdes,
! les solides ayant tendance à s'agglomérer ne peuvent y être séchés,
! provoque une diminution de pression relativement importante nécessitant l'installation de
ventilateurs pouvant supporter des pertes de pression élevées,
! limitée à des matériaux ayant une granulométrie aux plages restreintes; les matériaux fins ou
grossiers se fluidisent difficilement et les matériaux polydispersés conduisent à un entraînement
important (des dispositifs spéciaux de récupération doivent être installés),
! susceptible à la formation de chemins préférentiels pour l'écoulement du gaz et à la ségrégation
des particules, ce qui conduit à une fluidisation instable et à des taux de transfert réduits,
! la hauteur opératoire du lit doit être comprise entre la hauteur minimale assurant un régime
homogène de fluidisation et la hauteur maximale imposée par la chute de pression.
Séchoir à lit fluidisé pulsé
Les contraintes de séchage à lit fluidisé conventionnel peuvent être minimisées, voire éliminées en
agitant le lit de particules pendant le passage de l'air de fluidisation. Cet effet est réalisé à l'aide
d'appareils à mouvement vibrant ou pulsé. Par ces méthodes, on peut obtenir des lits de particules en
mouvement et parfaitement mélangés, tout en employant des débits d'air plus faibles que pour les lits
fluidisés conventionnels.
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Le lit de particules peut être agité d'une façon mécanique, soit la méthode utilisée pour les séchoirs à lit
fluidisé vibrant. Or, pour pouvoir faire vibrer quelques tonnes de matériel, il faut un appareil robuste
installé sur de solides fondations, ce qui rend ce type de séchoir coûteux à l'achat et à l'entretien.
Le même résultat peut être obtenu à moindre coût en pulsant l'air de fluidisation envoyé au lit de
particules; soit la méthode employée pour le séchoir à lit fluidisé pulsé (SLFP). Ce concept initialement
développé en Pologne au milieu des années 1970 (1), est schématiquement présenté à la figure 1. La
conception du SLFP repose essentiellement sur celle du lit fluidisé conventionnel. Néanmoins, la boîte
à vent est divisée en plusieurs compartiments par des cloisons verticales : quatre compartiments dans le
cas de notre prototype expérimental (figure 1A). L'air chaud passe d'abord par une vanne rotative
constituée de deux disques ouverts sur le quart de leurs surfaces. Cette vanne permet d'alimenter l'air
chaud dans chacun des compartiments d'une façon séquentielle (2,3). Le débit total d'air de fluidisation
reste constant durant toute l'opération, l'ouverture des disques se déplaçant d'un compartiment à l'autre
de façon cyclique. En théorie, la zone du lit de particules cessant d'être alimentée en air devrait devenir
stagnante, mais, en pratique, la vitesse de rotation de la vanne, de l'ordre de 650 rpm (rotation par
minute), permet à l'ensemble du lit de demeurer en mouvement avec une agitation plus intense au
dessus du compartiment alimenté en air.
Figure 1 : Schéma présentant le principe d'opération du séchoir à lit fluidisé pulsé.
Ce concept comporte plusieurs avantages par rapport aux lits fluidisés conventionnels :
! bonne fluidisation de particules de formes irrégulières (fibres, flocons, aiguilles),
! fluidisation de particules ayant une large distribution granulométrique,
! fluidisation de lit de particules avec 30 à 50% moins d'air,
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! perte de pression totale de 10 à 30% inférieure,
! meilleure uniformité de fluidisation,
! fluidisation de particules fragiles.
Une vaste gamme d'applications
En Pologne, deux séchoirs industriels à lit fluidisé pulsé sont utilisés pour le séchage et le
refroidissement du sucre : un séchoir de 6,75 m2 de surface de grille distributrice en opération à Strelin
depuis 1984 et un second de 6,1 m2 de surface de grille en opération à Pustkov depuis 1989. Ces deux
appareils sont actuellement les seules applications industrielles.
En Pologne toujours, une unité pilote de séchoir à lit fluidisé pulsé de 0,6 m2 de surface de grille
distributrice, conçue pour fonctionner à basses températures (moins de 100°C), a été utilisée avec
succès pour le séchage de différents aliments (pois et haricots entiers, cubes de pommes, de carottes et
de pommes de terre), de certains produits chimiques (thiohexame, gluconate de calcium et
pentaérythritol) et de minerais (potasse crystalline).
Le Laboratoire de recherche en diversification énergétique de CANMET (LRDEC), conscient des
avantages qu'offre ce nouveau type de séchoir pour un vaste éventail d'applications, a transféré la
technologie de Pologne. Ensuite, afin d'élargir la gamme d'applications, le design a été modifié pour
permettre l'utilisation de températures allant jusqu'à 300°C. Le nouveau design a valu un brevet au
LRDEC.
Un prototype de SLFP fonctionnant à hautes températures (jusqu'à 300°C) a été construit au LRDEC
(figure 2). Celui-ci a une surface de grille distributrice de 0,6 m2 et une puissance maximale de
chauffage de 160 kW. Cette unité pilote est utilisée pour démontrer les performances de la technologie
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pour différents matériaux à sécher et pour obtenir les paramètres nécessaires à la conception de
séchoirs industriels. Depuis sa mise en route à l'été 1997, cette unité a été utilisée pour tester le séchage
des matériaux suivants : particules de polypropylène recyclé, pellicules de polyéthylène recyclé, litière
pour animaux, engrais granulé, tourbe granulée, boue primaire des usines de pâtes et papiers, copeaux
de bois et chitine (obtenue des résidus de crevettes).
Figure 2 : Unité pilote de séchage à lit fluidisé pulsé du LRDEC (1- séchoir, 2- vanne rotative
distributrice, 3- ventilateur de poussée, 4- ventilateur d'extraction, 5- système de contrôle du
débit de particules, 6- trémie d'alimentation, 7- filtre, 8- système de chauffage électrique et au gaz
naturel, 9- panneau de contrôle)
Des économies d'énergie substantielles
L'unité pilote du LRDEC a été utilisée pour comparer la fluidisation de particules sphériques en modes
fluidisé conventionnel et fluidisé pulsé. Ces tests ont montré que les particules peuvent être mises en
fluidisation avec environ 35% moins d'air en mode pulsé, permettant d'importantes économies sur les
coûts capitaux (ventilateurs, cyclones, filtres et conduits) et sur les coûts d'opérations (électricité et
chauffage).
Aussi, le séchage de pellicules de polyéthylène recyclé a été réalisé avec l'unité pilote du LRDEC. Ce
matériel, dont la dimension est de plusieurs centimètres de long et de large mais seulement de
10-20 microns d'épaisseur, est difficile à sécher par les séchoirs conventionnels. Le rendement obtenu
avec le SLFP est de 53% alors que le séchoir à convoyage pneumatique actuellement utilisé par
l'industrie n'offre qu'un rendement de 20%. L'économie potentielle d'énergie est très significative, le
coût de chauffage étant réduit de plus de moitié avec le SLFP. De plus, le SLFP étant plus compact et
utilisant beaucoup moins d'air, son coût en capital sera moindre que le système de séchage actuel.
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Conclusion
Au cours des quatre dernières années, le LRDEC a transféré la technologie du SLFP de la Pologne et
l'a modifiée pour les applications à hautes températures. Le LRDEC a obtenu un brevet sur la
technologie modifiée et a négocié une licence avec la compagnie Barr-Rosin inc., de Boisbriand
(Québec), pour la commercialisation et la fabrication des séchoirs à lit fluidisé pulsé. Du fait des
nombreux avantages des SLFP, tant sur le plan technique comme sur le plan économique, le LRDEC
prévoit leur utilisation pour une vaste gamme d'applications dans les années futures.
Remerciements
Les auteurs remercient la compagnie Barr-Rosin inc. pour son aide lors de la construction du séchoir
pilote. Les auteurs remercient également le support financier de Gas Technology Canada et de
Enbridge Consumers Gas.
Références
1. Gawrzynski, Z. - "Method of Originating Pulsed Fluid Bed and Apparatus for this Method", brevet
polonais no. 103 840. (en polonais)
2. Kudra, T., Gawrzynski, Z. et Glaser, R. - "Pulsed Fluidised Bed", demande de brevet américain
acceptée.
3. Gawrzynski, Z. et Glaser, R. - "Drying in a Pulsed-Fluid Bed with Relocated Gas Stream", Drying
Tech., 14(5), 1121-1172, (1996).
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