TP Séchage & [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique Et Populaire Ministère De L’enseignement Supérieur Et De La Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie D’Oran  « Mohamed BOUDIAF »

Faculté de Chimie- Département de Génie Chimique Spécialité : Master 1 Génie chimique

TP SECHAGE DISCONTINU DES SOLIDES

Réalisé par :  BENABDELLAH EL HADJ Hayet  BENSAID SOUMIA  BRAHIM MEFLAH MERIEM

Année universitaire 2019/2020

Partie Théoriq ue

1.Introduction  Le séchage est une opération qui permet de retirer une partie du solvant (généralement de l'eau) d'un corps, par vaporisation de ce solvant. Le produit passe alors d'un état "humide" (liquide ou solide) à "sec". Le choix de la technique de séchage est important, car elle est consommatrice d'énergie (pour fournir la chaleur latente d'évaporation). Aujourd'hui, le séchage industriel par air chaud est la méthode la plus pratiquée. Plusieurs méthodes de séchage par air chaud existent, suivant le sens de circulation relatif de l'air et du produit. Cet article propose justement d'étudier ces différents cas. Leurs principes sont successivement expliqués, ainsi que leurs conséquences sur la qualité du produit séché, l'énergie consommée et le débit du séchoir. Enfin, les bilans (globaux, enthalpies, etc.) sont présentés afin de mesurer l'efficacité des méthodes. Cette élimination peut être réalisée soit: •

par évaporation à l'ébullition, favorisée en travaillant sous vide

•

par évaporation et entrainement à l'aide d'un gaz, généralement de l'air.

2.MÉTHODES DE SÉCHAGE Séchage par convection : C'est le mode de séchage le plus fréquent dans l'industrie chimique: on envoie sur la matière à sécher un courant gazeux chaud (le plus sec possible) qui fournit la chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée. La température du gaz diminue entre l'entrée et la sortie alors que c'est le contraire pour le solide. Si on considère un solide humide placé dans un courant d'air gazeux on observe au cours de l'opération de séchage trois périodes distinctes:   

Une phase de mise en température du solide Une phase de séchage à vitesse constante Une phase de séchage à vitesse décroissante

Séchage par « conduction » ou par « contact » : Le produit à sécher est déposé sur une paroi conductrice de la chaleur, qui est chauffée sur l'autre face, par exemple par condensation de vapeur ou par toute autre source de chaleur (brûleur gaz, chauffage électrique, eau tiède de condenseur, fluide caloporteur, etc.). L'apport de chaleur (kW) au produit se fait par conduction à travers cette paroi chaude vers le produit, puis par conduction à l'intérieur du produit, pour alimenter la

vaporisation de l'eau (fournir la chaleur latente de changement d'état ΔHvap), ce qui fixe le profil de température. On appelle qsch la température de la paroi chaude... Séchage par rayonnement : l'apport d'énergie par rayonnement vers le produit correspond au chauffage par infrarouge, par micro-ondes, par hautes fréquences, ainsi que le séchage solaire à ensoleillement direct. Généralement, il y a simultanément des transferts par convection avec l'air externe, supposé non chauffer et plus froid que le produit. Selon les flux par rayonnement et les échanges convectifs avec l'atmosphère externe, la température du produit est plus ou moins élevée, ce qui va déterminer le mode de séchage : mode « par ébullition » ou « par entraînement », avec des conséquences sur la vitesse de séchage et l'histoire hygrothermique suivie par le produit, différente du cas du séchage par air chaud. On a aussi la possibilité de chauffer l'air externe en plus du chauffage par rayonnement, et l'on a alors une situation de séchage « mixte » assez courante dans l'industrie (étuves, fours de séchage et/ou de cuisson).

3.Les définitions des paramètres clés : Température sèche : On nomme température sèche d'un gaz la température indiquée par une sonde de température nue placée dans le courant gazeux. Il s'agit de la température d'un gaz au sens courant. Température humide : On nomme température humide (ou température de bulbe humide) la température donnée par une sonde enrobée d'une mèche placée dans un courant gazeux et humidifiée en permanence par de l'eau pure. Il faut retenir que la température humide est la température prise par un solide humide durant la phase à vitesse constante d'un séchage par entraînement L'humidité spécifique : (HS ou q), ou teneur en eau (Y), est le rapport de la masse d'eau dans l'air sur la masse d'air humide. À ne pas confondre avec le rapport de mélange, qui est le rapport de la masse d'eau dans l'air sur la masse d'air sec. Humidité absolue : L’humidité absolue est définie pour l'air humide (ou d'autres gaz) comme sa teneur en vapeur d'eau. Elle est limitée par la quantité maximale que le gaz peut absorber avant qu'il y ait saturation à la température de celui-ci. Notée Y= (masse d'eau vapeur kg / masse d'air sec kg) Humidité à saturation : Notée Ysat (T) = (masse maximale d'eau vapeur / masse d'air sec )

À une température donnée Le point de rosée : ou température de rosée : est la température la plus basse à laquelle une masse d'air peut être soumise, à pression et humidité données, sans qu'il se produise une formation d'eau liquide par saturation. L'humidité de l'air comprimé : L'air atmosphérique ambiant contient toujours une certaine quantité d'eau, variable en fonction de sa température et de sa pression. Cette teneur en eau est généralement de l'ordre de quelques grammes d'eau par kilogramme (ou m3) d'air. Dans un compresseur, l'air ambiant subit une augmentation de sa température et une réduction de son volume l'amenant à saturation. De ce fait, tout refroidissement provoque de la condensation. Les sécheurs d'air sont utilisés pour abaisser le taux d'humidité de l'air comprimé et éviter ce phénomène.

L’humidité relative : d'un air, le rapport entre sa fraction molaire de vapeur d'eau et la fraction molaire de vapeur d'eau à saturation : L'humidité relative i s'exprime comme le quotient de la pression partielle de vapeur d'eau pH2O contenue dans le gaz par la pression de vapeur saturante de la vapeur P°H2O (tension de vapeur) à la même température. L'humidité relative est souvent nommée degré hygrométrique. Quand l'air est saturé en eau, alors i = 1 pH2O = P°H2O : Chaleur de vaporisation La chaleur de vaporisation de l’eau libre on considère comme telle ne dépend que de la : température régnant à la surface du produit soumis au séchage Cette chaleur n’est autre que la chaleur de vaporisation de l’eau, donnée par la formule : empirique Lv =597-0.56 Lv= Kcal / kg

 : ° C

: Vitesse de séchage :On peut la déterminer de deux façons différentes Produit en recherchant une collé ration qui donne directement l’évolution de teneur en eau .en fonction du temps et des caractéristiques de l’air asséchant Soit on se donne un modèle logique de transfert d’humidité entre le produit et l’air, les .résultats expérimentaux servant à recaler le modèle

4.Principes physiques du séchage Pour évaporer l'eau d'un produit, deux mécanismes peuvent être mis en œuvre : l'ébullition et l'entraînement. Séchage par ébullition Le séchage par ébullition consiste à transmettre au produit amené à sa température d'ébullition un flux thermique au travers une surface d'échange de chaleur latente. L'évaporation de l'eau est directement proportionnelle à l'apport d'énergie (chaleur latente de vaporisation). En pratique cet apport est effectué par conduction au travers de la surface d'échange au contact du produit par de la vapeur dont la température est comprise entre 130 et 150°C. Selon la loi de Fourier, le transfert de chaleur s'effectue de façon proportionnelle à la différence de température entre le fluide caloporteur et le liquide en ébullition à la pression considérée. Remarque: La température d'ébullition dépend de la pression totale (elle est plus basse sous vide qu'à pression atmosphérique) et de l'   du produit (elle diminue lorsque l'   augmente). Séchage par entraînement Le séchage par entraînement consiste à placer un corps humide dans un courant d'air (ou autre gaz) suffisamment chaud et sec. Dans ces conditions, il s'établit spontanément entre le corps et le gaz un écart de température et de pression partielle d'eau tel que : Un transfert de chaleur s'effectue de l'air vers le produit, sous l'effet de la température Un transfert d'eau s'effectue en sens inverse du fait de la pression partielle d'eau entre l'air et la surface du produit (Figure) Le séchage par entraînement est le moyen de séchage le plus universel, tous produits et secteurs alimentaires confondus (lait, œuf, charcuterie, céréales et produits végétaux, fruits, etc.…).

Transfert entre l'air et la surface du produit

Types de séchage.5 :Le séchage indirect -1 Dans ce procédé le rayonnement solaire sert à chauffer de l'aire à l'aide d'insolateur –plan.cet air chaud est ensuite utilisé pour sécher les produits : le séchage en couche épaisse -1-1 : Ce mode de séchage est utilisé pour lec fourrages et les produits en grain : le séchage discontinu-1-1-1 Le front de séchage progresse au cours du temps puisque l'air s'humidifie et se refroidie au contact des produit : le séchage continu-1-1-2 Dans ce procédé on fait circuler simultanément l'air et le produit soit dans le même sens soit dans le sens inverse des grains situés près de la force d'entrée du Silone ne sèche pas plus vite ce que se situé près de la force de la sortie ce qui est un avantage au séchage discontinu :le séchage en couche mince-1-2 L'air chauffé dans des insolateurs -plan est soufflé à travers des claies contenant des produits disposés en couche mince : Séchage direct-2 Les séchoirs solaires direct sont conçus de façon à laisser pénétrer le rayonnement solaire directement dans l'armoire de séchage ou il best converti en chaleur par le produit à sécher lui-même et diverses parois opaques qui'il rencontre l'échauffement du produit provoque à son voisinage l'élévation de la pression partielle de vapeur saturante donc une augmentation de la .vitesse de séchage

Humidité : Ce terme désigne le liquide contenu dans le corps solide, liquide ou pâteux, et devant être éliminé au cours du séchage.

CARACTÉRISATION DES SOLIDES HUMIDES : 

Humidité d'un solide On définit l'humidité d'un solide comme la masse d'eau en kg associée à 1 kg de solide sec (c'est en fait l'expression d'un rapport massique). On utilise fréquemment des pourcentages.



Description du solide humide Avant le séchage un solide humide peut se représenter schématiquement comme sur la figure suivante. Le solide a un film d'eau adhérant à sa surface externe par des forces superficielles. Une couche limite à la périphérie du solide est constituée par de l'air saturé en eau, c'est à dire de l'air contenant de la vapeur d'eau 4 à une pression partielle égale à la tension de vapeur d'une eau qui serait seule présente dans une enceinte, à la même température. C'est la valeur maximale que peut prendre la tension de vapeur de l'eau à cette température. L'eau peut aussi se retrouver localisée à la surface ou au fond des pores: les forces qui la retiennent sont alors beaucoup plus fortes et ont trait à des phénomènes complexes de capillarité. Plus les pores sont de petites tailles, plus ces forces sont intenses.

6.ÉQUIPEMENTS ANNEXES DES SÉCHEURS  Filtres : Suivant le produit à traiter des contraintes importantes peuvent être imposées à l'air de séchage. Des filtres sont donc souvent installés; ils peuvent parvenir parfois à empêcher le passage des bactéries et autres micro-organismes s’ils sont suffisamment fins.

Ventilateurs : Ils communiquent à l'air l'énergie mécanique nécessaire à sa traversée du sécheur. Déshumidificateurs de l'air : Pour améliorer la capacité d'absorption d'eau de l'air, il est intéressant de prévoir un dispositif de déshumidification de l'air qui abaisse l'humidité de l'air avant son entrée dans le sécheur. On peut procéder par condensation en diminuant la température de l'air en dessous de son point de rosée ce qui permet d'éliminer l'eau en excès. On peut aussi passer l'air sur un support hydrophile qu'on régénère ensuite. Cette deuxième méthode est plus fréquemment utilisée pour déshumidifier l'air de refroidissement des produits après séchage.

Réchauffeurs d'air : La nécessité d'abaisser l'humidité relative de l'air avant son entrée dans le sécheur pour obtenir une meilleure efficacité oblige à préchauffer l'air. On utilise à cet effet des aérothermes constitués par des tubes munis d'ailettes et traversés par des fluides caloporteurs.

Partie Expérime ntale

Instruction de manipulation: 1) Peser les échantillons secs d’une manière aussi précise que possible à l’aide de la balance. 2) Immerger l’échantillon pendant deux à trois heures dans un bécher rempli d’eau propre. 3) Mettre le ventilateur en marche et régler le débit d’air à l’aide du registre. 4) Mesurer les températures sèche θs1 et humide θw de l’air avant chauffage. 5) Mettre en marche les éléments chauffants et régler la température à la valeur requise à l’aide du potentiomètre de commande. Attendre pendant 10 que l’appareil ait atteint son état de fonctionnement stable. Relever la température sèche de l’air chauffé θs2 ; ainsi que le débit d’air. 6) Sortir l’échantillon de l’eau et enlever précautionneusement l’eau adhérant à la surface en pressant l’échantillon une seule fois dans un tissu de papier. Introduire rapidement l’échantillon dans le tunnel et le suspendre au crocher relier à la balance. 7) Lancer le chronomètre et enregistrer le poids de l’échantillon au moment zéro (pour obtenir une indication précise du poids, il est indispensable d’arrêter le ventilateur ; le pesage doit se faire rapidement et le ventilateur doit être remis en marche. 8) Relever le poids de l’échantillon à des intervalles de temps rapprochés au début, c’est-à-dire de 0,5 à 1 minute, et plus longs au fur et à mesure que le séchage progresse, par exemple toutes les 5 minutes après environ 15 minutes.

9) Poursuivre le séchage pendant au moins 30 minutes.

But : Connaître la technologie des appareils et leur utilisation · Être capable d'identifier les paramètres significatifs · Être capable d'adapter la conduite aux variations des caractéristiques du solide à sécher : humidité, granulométrie, quantités ou débit nature du produit à sécher · Être capable d'adapter la conduite aux variations des caractéristiques du fluide de séchage · Être capable d'adapter la conduite aux variations des caractéristiques du fluide de chauffe · Lire et utiliser les diagrammes · Effectuer les bilans matière et énergie dans différents cas.

Résultat et calculs :  

On a un seul échantillon qui a une forme sphérique. La température sèche et humide :

Өs=19°C Өw= 15°C  La vitesse d’air : d’après notre manipulation on a trouvé Alors :

V=6.96m/sec

 Surface de l’appareil S=¶ (r) 2 S=¶ (0.080) 2 =0.0201 m2

On sait: Q= V*S Q : le débit d’air (m3/sec) V : la vitesse d’air (m/sec) S : section droite (m2)

T(mn) 0 0.5 1.5 2.5 5

Ww (g) 17.91 17.84 17.72 17.59 17.29

Q=0.1398m3/sec

X% 30.53 30.02 29.15 28.20 26.02

∆x/∆t 0 0.0102 0.0087 0.0095 0.00872

X-X* 0.2013 0.1962 0.1875 0.178 0.1562

8 11 15 19 24 30

16.98 16.72 16.40 16.14 15.92 15.72

23.76 21.86 19.53 17.63 16.03 14.57

0.00753 0.00633 0.00825 0.00475 0.0032 0.00243

:On a les relations suivantes On a les relations suivantes : X= WW – W0\ W0 X*= W0*-W0\ W0

X= (17.91-13.72) /13.72=0.3053

30.53℅

X= (17.84-13.72) /13.72=0.3002

30.02℅

X= (17.72-13.72) /13.72=0.2915

29.15℅

X= (17.59-13.72) /13.72=0.2820

28.20℅

X= (17.29-13.72) /13.72=0.2602

26.02℅

X= (16.98-13.72) /13.72=0.2376

23.76℅

X= (16.72-13.72) /13.72=0.2186

21.86℅

X= (16.40-13.72) /13.72=0.1953

19.53℅

X= (16.14-13.72) /13.72=0.1763

17.63℅

X= (15.92-13.72) /13.72=0.1603

16.03℅

X= (15.72-13.72) /13.72=0.1457

14.57℅

Où  X* : est le teneur en humidité d’équilibre. W0* : poids de l’échantillon séché. W0 =13.72gr

0.1336 0.1146 0.0913 0.0723 0.0563 0.0417

∆x/∆t

0

∆x/∆t

0.3002-0.3053/0.5-0 =│-0.0102│ =0.0102

∆x/∆t

0.2915-0.3002/1.5-0.5 =│-0.0087│ =0.0087

∆x/∆t

0.2820-0.2915/2.5-1.5 =│-0.0095│ =0.0095

∆x/∆t

0.2602-0.2820/5-2.5 =│-0.00872│ =0.00872

∆x/∆t

0.2376-0.2602/8-5 =│-0.00753│ =0.00753

∆x/∆t

0.2186-0.2376/11-8=│-0.00633│ =0.00633

∆x/∆t

0.1953-0.2186/15-11 =│-0.005825│=0.005825

∆x/∆t

0.1763-0.1953/19-15 =│-0.00475│=0.00475

∆x/∆t

0.1603-0.1763/24-19 =│-0.0032│=0.0032

∆x/∆t

0.1457-0.1603/30-24 =│-0.00243│=0.00243

 On calcule le poids moyen de l’échantillon Wmoy :

Wmoy= ∑Ww/11

186.23/11 =16.93 g Wmoy= 16.93 g

 On calcule W0* : 16.93 /30=0.564 Le poids de l’échantillon (sphère) après 30 min c’est : 15.72 -0.564 =15.156 g

W0* = 15.156 g

 On calcule le X* : (15.156-13.72) /13.72 = 0.105 X* =0.104

X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X* X-X*

0.3053-0.104=0.2013 0.3002-0.104=0.1962 0.2915-0.104=0.1875 0.2820-0.104=0.178 0.2602-0.104=0.1562 0.2376-0.104=0.1336 0.2186-0.104=0.1146 0.1953-0.104=0.0913 0.1763-0.104=0.0723 0.1603-0.104=0.0563 0.1457-0.104=0.0417

Tracer la courbe représentant le poids de l’échantillon en fonction du temps de séchage. En déduire le poids de l’échantillon mouillé après une heure de séchage. t 0 0,5 1,5 2,5 5 8 11 15 19 24 30

W 17,91 17,84 17,72 17,59 17,29 16,98 16,72 16,4 16,14 15,92 15,72

5.81 81 5.71 71

W

5.61 61 5.51 51 5.41 0

5

01

51

02

52

03

T

 Tracer la courbe représentant la vitesse de séchage (ΔX/Δt) en fonction de la teneur en humidité au-delà de la valeur d’équilibre, (X – X*).

53