Chapitre 10 Séchage

Références Unit Operations of Chemical Engineering par W.L. McCabe, J.C. Smith et P. Harriott (7ième édition) Chapitre 24

Utilité du séchage La plupart du temps: Enlever l’eau d’un milieu solide Peut aussi s’appliquer à d’autres liquides Séchage: enlever de petites quantités d’eau Évaporation: enlever de grandes quantités Problème avec le séchage: Procédé thermique et couteux Toutefois, souvent inévitable

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 l’air Ajout de chaleur sous vide Séchage à froid

Séchoir à compartiments Solide pâteux ou avec agglomérats Placé sur une surface trouée de métal Profondeur de 10-100 mm L’air est chauffée par de la vapeur d’eau Circulée par un ventilateur Récipients sont mobiles Peuvent être perforés: Augmente la surface de contact

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 l’eau chaude pour vaporiser Et non de la vapeur d’eau Utilité: Matériaux dispendieux

Séchoir à tunnels (en continu) Séchoir en continu Les solides sont placés: Sur un convoyeur Dans un contenant métallique L’air peut être circulée: Co-courant, contre-courant ou une combinaison Quand on utilise des solide particulaires: Le dessous du convoyeur est perforé

Schématisation

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

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

Schématisation

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

Schématisation

Séchage de cultures et grain Pour le séchage de grain: Biomasse originale contient 30-35% d’humidité Nécessite pour l’entreposage un taux de 13% Le séchoir permet de chauffer dans la première partie Puis refroidit les grains dans la seconde

Schématisation

Pression de vapeur de l’eau Humidification: Implique le transfert d’eau d’un liquide vers un gaz Déshumidification Implique un transfert inverse Les deux termes s’appliquent aussi à d’autres liquides La plupart des applications avec l’eau

Diagramme de phase

Humidité et chartes L’humidité d’un mélange air-eau: kg d’eau par kg d’air Cette humidité dépend: Pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air Dépend aussi de la pression totale P On assume que cette dernière équivaut à 101.325 kPa Pour les équations qui viennent: On utilise la masse molaire de l’eau : 18.02 g/mol On utilise la masse molaire de l’air: 28.97 g/mol

Calcul de l’humidité On s’en remet à l’équation suivante: L’air saturé est de l’air ou la vapeur d’eau est en équilibre entre la phase liquide et vapeur à des conditions spécifique

% d’humidité Correspond à 100 fois le quotient entre: Humidité de l’air (H) Humidité de l’air saturée (Hs) Le tout à même température et pression Aussi, humidité relative:

Problème typique Humidité à partir de données simples: L’air dans une pièce est à 26.7 oC et à une pression de 101.325 kPa et contient de la vapeur d’eau avec un pression partielle de 2.76 kPa. Calculez les paramètres suivants: L’humidité H L’humidité de saturation Hs et le pourcentage d’humidité Le pourcentage d’humidité relatif

Point de rosée Température à laquelle un mélange d’air et de vapeur d’eau se voit saturée À 26.7 oC la pression de vapeur à saturation est de 3.50 kPa Le point de rosée d’un mélange air-vapeur d’eau à 3.50 kPa est nécessairement de 26.7oC Explique la formation de rosée

Chaleur humide Représente la quantité de chaleur nécessaire (en joules) pour faire monter une mixture air + vapeur d’eau de 1K La capacité calorifique de l’air et de l’eau peuvent être considérées constantes: 1.005kJ/kg (air)*K 1.88 kJ/kg(vapeur)*K

Volume humide Correspond à un volume total pour 1 kg d’air avec la vapeur que cet air contient. Le tout à 101.35 kPa et à la température du du gaz. L’équation est dérivée de celle des gaz rares:

Charte d’humidité

Problème typique Utilisation de la charte d’humidité: L’air qui entre dans un séchoir a une température de 60oC et un point de rosée de 26.7oC. En utilisant la charte d’humidité, déterminez l’humidité H, le pourcentage d’humidité (Hp), le volume humide ainsi que la chaleur humide (cS).

Température de saturation adiabatique

Température de saturation adiabatique Si on fait une balance enthalpique en se basant sur TS:

Problème typique Saturation adiabatique de l’air: Un jet d’air à 87.8 oC ayant une humidité H = 0.030 kg H2O/ kg d’air sec est mis en contact avec un saturateur adiabatique contenant de l’eau. L’air 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?

Température humide (wet bulb temperature) En régime permanent, température atteinte: Petite quantité d’eau Flux constant de gaz Considérant que la quantité d’eau est petite: La T et H ne sont pas changés Comment déterminer alors: Thermomètre recouvert d’un morceau de tissus Le tissus est gardé humide avec de l’eau

Ainsi En régime permanent: On peut faire une balance de chaleur De l’eau est évaporée vers le gaz Le tissus est à TW On peut faire une balance de chaleur La température de référence est à TW La quantité de chaleur perdue:

Pour une solution diluée xBM=1 et k’y=ky Équations Pour une solution diluée xBM=1 et k’y=ky

En faisant abstraction du taux de transfert de chaleur Équations En substituant En faisant abstraction du taux de transfert de chaleur

Problème typique Température Humide: Un mélange de vapeur d’eau et d’air ayant une température sèche (T) de 60oC est évaluée avec un psychromètre et la température humide obtenue est de 29.5oC. Quelle est l’humidité de la mixture?

Humidité à l’équilibre dans les matériaux On parlera ici de la relation entre le fluide de séchage et le matériel Supposons un matériel humide: Exposé à l’air ayant une humidité constante H Une grande quantité d’air est utilisée Après un certain temps l’humidité dans le solide atteindra une valeur constante C’est ce que nous appelons l’humidité à l’équilibre

Valeurs typiques

Effet de la température Le taux d’humidité à l’équilibre: Diminue avec une augmentation de T Habituellement pour des domaines de température modérés: Le taux d’humidité à l’équilibre sera considéré comme étant constant Surtout lorsque les données expérimentales ne seront pas disponibles

Valeurs typiques

Courbes de rendement de séchage Pour la conception de séchoirs: Dimensions Conditions d’opération Conditions d’humidité Temps nécessaire Plusieurs aspects peuvent être calculés Toutefois, paramètres expérimentaux nécessaires

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: L’échantillon doit être d’une certaine masse La nacelle doit être normée

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

Courbes de séchage

Rendement de séchage En fonction de la courbe de X en fonction de t: Une autre technique:

R en fonction de X

Séchage pour périodes à R constant La surface du solide est très mouillée Un film d’eau existe en continu sur la surface Cette eau n’est pas liée, indépendante du solide Si le solide est poreux: La majorité de l’eau évaporée pendant cette période provient de l’intérieur du solide Cette période se poursuit: Tant que l’eau est fourni à la surface à la même vitesse où elle est évaporée

Séchage lors de la chute de R Xc: Contenu en humidité libre critique À ce point: Eau à la surface est insuffisante pour maintenir un film constant La surface entière n’est plus complètement mouillée Les surfaces mouillées diminuent jusqu’à ce que la surface soit entièrement sèche

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

Comment calculer t En utilisant les graphiques de X en fonction de t En utilisant les équations mentionnées précédemment

Méthodes pour R constant Dans certaines conditions le R est indépendant du solide: Dépend principalement de la couche d’eau 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

Équations

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 d’un flux d’air s’écoulant parallèlement à la surface à une vélocité de 6.1 m/s. L’air est à 65.6oC et a une humidité de 0.010 kg de H2O par kg d’air. Estimez le rendement de séchage pour la période de rendement constant.

Séchage dans un lit fixe Particules placées sur un tamis L’air circule au travers du lit de particules On considère que le système est adiabatique Le séchage concerne: Les particules non-liées La quantité d’eau enlevée du lit: Dépend du rendement de séchage

Équations

Équations Comme:

TLM La température du gaz va varier au sein du lit Pour contrer ceci température moyenne (log)

Ainsi

Coefficients h

Facteur a Facteur de géométrie, particules sphériques: Facteur de géométrie, particules cylindriques: Valeur de Dp pour un cylindre:

Problèmes supplémentaires Séchage d’un 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 Xt1 est de l’ordre de 1.0 kg d’eau par kg de solide et celle à l’équilibre est de X*=0.01. La densité du solide sec est de 1602 kg/m3. Les solides sont placés sur un tamis d’une profondeur de 50.8 mm. La densité généralisée (ρS) du solide sec dans le lit est de 641kg/m3. L’air à l’entrée a une humidité H1 de 0.04 kg H2O par kg d’air sec et a une température de 121.1 oC. La vélocité du gaz est de 0.811 m/s et le gaz passe au travers du lit. La valeur de XtC est de 0.5. Calculez le temps nécessaire à faire sécher le solide à une valeur de Xt=0.10 kg d’eau par kg de solide. Rep.: t=0.236h

Problèmes supplémentaires L’air dans une pièce est à 37.8 oC, la pression est atmosphérique et cette dernière contient de l’eau avec une pression partielle de 3.59 kPa. Calculez: a) L’Humidité (rep.: 0.0228 kg H2O/kg air) b) L’Humidité de saturation et le % d’humidité (0.0432 kg H2O / kg air et humidité de 52.8%) c) Le pourcentage d’humidité relative (54.4%) Un solide granulaire insoluble humide d’eau est séché pendant une période à rendement constant dans un récipient de 0.61x0.61m et l’épaisseur du matériel dans le récipient est de 25.4 mm. Les côtés et le fond sont isolés. L’air s’écoule 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 11.34 kg de solide sec ayant un contenu hydraté de 0.35 kg d’eau par kg de solide sec et le matériel doit être séché pendant une période à rendement constant à une valeur de 0.22kg d’eau 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)