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Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 10 Séchage.

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1 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chapitre 10 Séchage

2 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Références Unit Operations of Chemical Engineering par W.L. McCabe, J.C. Smith et P. Harriott (7 ième édition) Chapitre 24

3 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Utilité du séchage La plupart du temps: – Enlever leau dun milieu solide – Peut aussi sappliquer à dautres liquides Séchage: enlever de petites quantités deau Évaporation: enlever de grandes quantités Problème avec le séchage: – Procédé thermique et couteux Toutefois, souvent inévitable

4 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthodes générales de séchage Séchage en Batch: – Matériel inséré dans le séchoir – Séché pour une certaine période de temps Séchage en continu: – Matériel est inséré en enlevé continuellement Trois type de séchage: – Ajout de chaleur à pression atmosphérique par lair – Ajout de chaleur sous vide – Séchage à froid

5 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchoir à compartiments Solide pâteux ou avec agglomérats Placé sur une surface trouée de métal – Profondeur de mm Lair est chauffée par de la vapeur deau Circulée par un ventilateur Récipients sont mobiles Peuvent être perforés: – Augmente la surface de contact

6 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchoir à compartiment - vacuum Même concept que le précédent Sauf que la conception est étanche Transfert de chaleur par radiation Pour opérations à basse température: – On utilise de leau chaude pour vaporiser – Et non de la vapeur deau Utilité: – Matériaux dispendieux

7 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchoir à tunnels (en continu) Séchoir en continu Les solides sont placés: – Sur un convoyeur – Dans un contenant métallique Lair peut être circulée: – Co-courant, contre-courant ou une combinaison Quand on utilise des solide particulaires: – Le dessous du convoyeur est perforé

8 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

9 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchoirs à tambour rotatif Cylindre avec le centre vide Incliné légèrement vers la sortie On introduit les solides par la partie la plus haute Ces derniers progressent avec la rotation vers la sortie Le gaz chaud circule à contre-courant

10 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchoirs à tambour Le cylindre est ici plein On place le solide à sécher sur la surface Le solide est ainsi séché, puis, on le gratte de la surface avec un couteau Utile pour: – Boues et pâtes – Suspensions fines

11 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

12 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage par vaporisation Un solution liquide ou en boue est vaporisée dans un flux de gaz chaud en gouttelettes La surface de contact augmente: – Le liquide est rapidement vaporisé – Nous laissant avec le solide Le gaz chaud peut être ajouté: – Co-courant, contre-courant, en combinaison Un seul point: – Éviter que les gouttelettes adhèrent à la surface

13 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

14 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage de cultures et grain Pour le séchage de grain: – Biomasse originale contient 30-35% dhumidité – Nécessite pour lentreposage un taux de 13% Le séchoir permet de chauffer dans la première partie Puis refroidit les grains dans la seconde

15 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Schématisation

16 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Pression de vapeur de leau Humidification: – Implique le transfert deau dun liquide vers un gaz Déshumidification – Implique un transfert inverse Les deux termes sappliquent aussi à dautres liquides La plupart des applications avec leau

17 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Diagramme de phase

18 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Humidité et chartes Lhumidité dun mélange air-eau: – kg deau par kg dair Cette humidité dépend: – Pression partielle de la vapeur deau dans lair – Dépend aussi de la pression totale P On assume que cette dernière équivaut à kPa – Pour les équations qui viennent: On utilise la masse molaire de leau : g/mol On utilise la masse molaire de lair: g/mol

19 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calcul de lhumidité On sen remet à léquation suivante: Lair saturé est de lair ou la vapeur deau est en équilibre entre la phase liquide et vapeur à des conditions spécifique

20 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) % dhumidité Correspond à 100 fois le quotient entre: – Humidité de lair (H) – Humidité de lair saturée (H s ) Le tout à même température et pression Aussi, humidité relative:

21 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Humidité à partir de données simples: Lair dans une pièce est à 26.7 o C et à une pression de kPa et contient de la vapeur deau avec un pression partielle de 2.76 kPa. Calculez les paramètres suivants: a)Lhumidité H b)Lhumidité de saturation Hs et le pourcentage dhumidité c)Le pourcentage dhumidité relatif

22 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Point de rosée Température à laquelle un mélange dair et de vapeur deau se voit saturée À 26.7 o C la pression de vapeur à saturation est de 3.50 kPa Le point de rosée dun mélange air-vapeur deau à 3.50 kPa est nécessairement de 26.7 o C Explique la formation de rosée

23 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Chaleur humide Représente la quantité de chaleur nécessaire (en joules) pour faire monter une mixture air + vapeur deau de 1K La capacité calorifique de lair et de leau peuvent être considérées constantes: – 1.005kJ/kg (air)*K – 1.88 kJ/kg(vapeur)*K

24 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Volume humide Correspond à un volume total pour 1 kg dair avec la vapeur que cet air contient. Le tout à kPa et à la température du du gaz. Léquation est dérivée de celle des gaz rares:

25 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Charte dhumidité

26 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Utilisation de la charte dhumidité: Lair qui entre dans un séchoir a une température de 60 o C et un point de rosée de 26.7 o C. En utilisant la charte dhumidité, déterminez lhumidité H, le pourcentage dhumidité (H p ), le volume humide ainsi que la chaleur humide (c S ).

27 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Température de saturation adiabatique

28 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Température de saturation adiabatique Si on fait une balance enthalpique en se basant sur T S :

29 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Saturation adiabatique de lair: Un jet dair à 87.8 o C ayant une humidité H = kg H 2 O/ kg dair sec est mis en contact avec un saturateur adiabatique contenant de leau. Lair est refroidit et humidifié à une saturation de 90%. a) Quelles sont les valeurs finales de H et T? b) Pour une saturation de 100% quelles seraient les valeurs de H et T?

30 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Température humide (wet bulb temperature) En régime permanent, température atteinte: – Petite quantité deau – Flux constant de gaz Considérant que la quantité deau est petite: – La T et H ne sont pas changés Comment déterminer alors: – Thermomètre recouvert dun morceau de tissus – Le tissus est gardé humide avec de leau

31 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ainsi En régime permanent: – De leau est évaporée vers le gaz – Le tissus est à T W On peut faire une balance de chaleur La température de référence est à T W La quantité de chaleur perdue:

32 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations Pour une solution diluée x BM =1 et k y =k y

33 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations En substituant En faisant abstraction du taux de transfert de chaleur

34 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Température Humide: Un mélange de vapeur deau et dair ayant une température sèche (T) de 60 o C est évaluée avec un psychromètre et la température humide obtenue est de 29.5 o C. Quelle est lhumidité de la mixture?

35 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Humidité à léquilibre dans les matériaux On parlera ici de la relation entre le fluide de séchage et le matériel Supposons un matériel humide: – Exposé à lair ayant une humidité constante H – Une grande quantité dair est utilisée – Après un certain temps lhumidité dans le solide atteindra une valeur constante Cest ce que nous appelons lhumidité à léquilibre

36 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Valeurs typiques

37 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Effet de la température Le taux dhumidité à léquilibre: – Diminue avec une augmentation de T Habituellement pour des domaines de température modérés: – Le taux dhumidité à léquilibre sera considéré comme étant constant – Surtout lorsque les données expérimentales ne seront pas disponibles

38 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Valeurs typiques

39 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Courbes de rendement de séchage Pour la conception de séchoirs: – Dimensions – Conditions dopération – Conditions dhumidité – Temps nécessaire Plusieurs aspects peuvent être calculés Toutefois, paramètres expérimentaux nécessaires

40 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Taux de séchage Pour y arriver: – Échantillon dans une nacelle – Seulement le sommet est exposé – On utilise une balance On peut donc observer les variations en continu Paramètres à respecter: – Léchantillon doit être dune certaine masse – La nacelle doit être normée

41 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Courbes de taux de séchage Les valeurs obtenues suite à ces expériences: – W en fonction de t – Recalcul des valeurs: Pour des conditions de séchage constantes

42 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Courbes de séchage

43 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Rendement de séchage En fonction de la courbe de X en fonction de t: Une autre technique:

44 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) R en fonction de X

45 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage pour périodes à R constant La surface du solide est très mouillée Un film deau existe en continu sur la surface Cette eau nest pas liée, indépendante du solide Si le solide est poreux: – La majorité de leau évaporée pendant cette période provient de lintérieur du solide Cette période se poursuit: – Tant que leau est fourni à la surface à la même vitesse où elle est évaporée

46 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage lors de la chute de R X c : Contenu en humidité libre critique À ce point: – Eau à la surface est insuffisante pour maintenir un film constant La surface entière nest plus complètement mouillée Les surfaces mouillées diminuent jusquà ce que la surface soit entièrement sèche

47 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Calculs pour séchoir constant Un des points les plus important: – Le temps de séchage Comment le trouver: – Tests batch – Prédiction des coefficients de transfert de masse et de chaleur

48 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Comment calculer t En utilisant les graphiques de X en fonction de t En utilisant les équations mentionnées précédemment

49 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Méthodes pour R constant Dans certaines conditions le R est indépendant du solide: – Dépend principalement de la couche deau sur le solide Le rendement de séchage: – Proportionnel au coefficient de transfert de chaleur Lorsque le tout est en régime permanent: – Balance entre le transfert de masse et de chaleur

50 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations

51 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problème typique Prédiction du séchage à R constant: Un matériel granulaire et insoluble est séché dans un récipient de 0.457x0.457 m et avec une profondeur de 25.4 mm. Le matériel remplit la totalité du récipient et on peut considérer les côtés et le dessous comme étant isolés. Les transferts de chaleur se font par convection dun flux dair sécoulant parallèlement à la surface à une vélocité de 6.1 m/s. Lair est à 65.6 o C et a une humidité de kg de H 2 O par kg dair. Estimez le rendement de séchage pour la période de rendement constant.

52 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Séchage dans un lit fixe Particules placées sur un tamis Lair circule au travers du lit de particules On considère que le système est adiabatique Le séchage concerne: – Les particules non-liées La quantité deau enlevée du lit: – Dépend du rendement de séchage

53 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations

54 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Équations Comme:

55 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) T LM La température du gaz va varier au sein du lit Pour contrer ceci température moyenne (log)

56 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Ainsi

57 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Coefficients h

58 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Facteur a Facteur de géométrie, particules sphériques: Facteur de géométrie, particules cylindriques: Valeur de Dp pour un cylindre:

59 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problèmes supplémentaires Séchage dun lit de particules: Une pâte est extrudé en cylindre de diamètre de 6.35 mm et de 25.4 mm de longueur. La valeur de X t1 est de lordre de 1.0 kg deau par kg de solide et celle à léquilibre est de X*=0.01. La densité du solide sec est de 1602 kg/m 3. Les solides sont placés sur un tamis dune profondeur de 50.8 mm. La densité généralisée ( ρ S ) du solide sec dans le lit est de 641kg/m 3. Lair à lentrée a une humidité H 1 de 0.04 kg H 2 O par kg dair sec et a une température de o C. La vélocité du gaz est de m/s et le gaz passe au travers du lit. La valeur de X tC est de 0.5. Calculez le temps nécessaire à faire sécher le solide à une valeur de X t =0.10 kg deau par kg de solide. Rep.: t=0.236h

60 Opérations unitairesGCH 210 – Chapitre 10Jean-Michel Lavoie (Ph.D) Problèmes supplémentaires Lair dans une pièce est à 37.8 o C, la pression est atmosphérique et cette dernière contient de leau avec une pression partielle de 3.59 kPa. Calculez: a) LHumidité (rep.: kg H 2 O/kg air) b) LHumidité de saturation et le % dhumidité ( kg H 2 O / kg air et humidité de 52.8%) c) Le pourcentage dhumidité relative (54.4%) Un solide granulaire insoluble humide deau est séché pendant une période à rendement constant dans un récipient de 0.61x0.61m et lépaisseur du matériel dans le récipient est de 25.4 mm. Les côtés et le fond sont isolés. Lair sécoule parallèlement à la surface de séchage à une vélocité de 3.05 m/s et a une température sèche de 60oC et une température humide de 29.4oC. Le récipient contient kg de solide sec ayant un contenu hydraté de 0.35 kg deau par kg de solide sec et le matériel doit être séché pendant une période à rendement constant à une valeur de 0.22kg deau par kg de solide sec. a) Prédire le rendement de séchage et le temps requis (0.612kg/h ; 2.41h) b) Prédire le temps requis si un récipient de 44.5 mm est employé (4.22h)


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