Traitement des solides pour la température

Peter Koenig, chef de produit, Bepex | 15 sept. 2021

Les technologies de séchage direct et de séchage indirect offrent les avantages de faibles temps de séjour. Deux types de sécheurs – les sécheurs flash mécaniques (séchage direct) et les sécheurs à pales à couche mince (séchage indirect) – offrent des solutions optimales pour les matériaux sensibles à la chaleur. Les exigences de chaque application détermineront le choix du sécheur.

Les fabricants des industries chimique, alimentaire, minérale et autres évaluent en permanence leurs processus industriels pour s'assurer que les matériaux sont produits avec un minimum de déchets, une efficacité optimale et une qualité optimale. Le traitement thermique fait partie intégrante de la phase de traitement et nécessite une analyse approfondie de la teneur en humidité du matériau et d'autres caractéristiques. Chaque processus industriel est unique ; les fabricants ne sont assurés des meilleures performances qu'après un processus de développement minutieux qui comprend une évaluation des matériaux, des tests par lots, des essais à l'échelle pilote et une évaluation commerciale. Deux approches de séchage des matériaux sensibles à la température optimisent le processus et la qualité des produits pour une variété de matériaux, y compris les polymères, les engrais, les amidons, les farines et la levure (également pour les compléments animaux.

Le séchage est une opération unitaire dans laquelle un liquide est séparé d'un solide par des moyens autres que mécaniques. Cela nécessite généralement un apport de chaleur, entraînant une évaporation du liquide. Deux types de technologies de séchage - le séchage direct et le séchage indirect - peuvent être appliqués pour le traitement sensible à la température (voir Figure 1).

Figure 1 : Séchage direct et indirect pour le traitement sensible à la température

Les procédés thermiques directs ou convectifs (figure 2) mélangent généralement le gaz chauffé ou ambiant (par exemple, l'air ou l'azote) directement avec le matériau à traiter. Certaines technologies thermiques directes utilisent un agitateur mécanique pour augmenter le mélange du matériau avec le gaz, et presque toutes les technologies directes utilisent un transport pneumatique pour déplacer le matériau tout au long du processus.

Étant donné que ce processus repose sur le gaz comme moyen de transfert de chaleur, le traitement des gaz d'échappement et les considérations environnementales peuvent rendre ce processus moins souhaitable que le traitement indirect pour une application donnée.

Cependant, étant donné la présence d'un volume élevé d'air/gaz, les opérations de séchage direct bénéficient du refroidissement par évaporation, lorsque l'eau évaporée refroidit le flux d'air, refroidissant ensuite le matériau séché. Cela permet à son tour de maintenir une température de travail basse, évitant la dégradation des matériaux sensibles à la température.

Les procédés de séchage indirect ou par conduction transfèrent la chaleur au matériau indirectement par contact avec une surface chauffée. Le matériau est séparé du fluide caloporteur par une paroi métallique, et la chaleur est conduite à travers le matériau ou le fluide caloporteur, généralement de la vapeur ou de l'huile chaude (également de l'eau, une solution de glycol, une résistance électrique ou des sels fondus). Le matériau lui-même n'entre jamais en contact direct avec le fluide caloporteur. Pour améliorer un chauffage uniforme et fournir un transport, les systèmes indirects utilisent une agitation mécanique pour déplacer le matériau traité sur la surface métallique et passer à l'étape suivante du processus.

Le traitement thermique indirect est particulièrement avantageux lorsque l'espace est limité, pour le transport sur de courtes distances ou pour réduire l'équipement de transport dans un processus. Le traitement thermique indirect élimine souvent les problèmes de manipulation des matériaux et augmente la valeur du produit final.

Figure 2 : Concepts thermiques directs et indirects

Alors que plusieurs types de sécheurs peuvent effectuer cette tâche, deux en particulier sont idéaux pour sécher les matériaux sensibles à la chaleur : les sécheurs flash mécaniques et les sécheurs à pales à couche mince. Les exigences de chaque application individuelle, ainsi que les formes de matières premières, détermineront le choix du sécheur. Chaque application nécessite un processus de développement approfondi pour tester, concevoir et spécifier une correspondance précise pour l'application (voir l'encadré : Évaluer, tester et échantillonner le matériel pour de meilleurs résultats).

Les sécheurs flash sont basés sur la technologie thermique directe et sont conçus pour sécher les matériaux sensibles à la température et à forte humidité sous des formes difficiles à manipuler, tels que les gâteaux humides/filtrés, les pâtes et les boues (voir Figure 3). Les sécheurs flash traditionnels sont des sécheurs par pulvérisation non mécaniques ou des sécheurs annulaires. Un autre type de sécheur flash est mécanique et offre une plus grande flexibilité des particules par rapport aux sécheurs par pulvérisation ou aux sécheurs annulaires. Les séchoirs par pulvérisation ne produisent généralement que des poudres fines, tandis que les séchoirs à anneaux produisent généralement des granulés plus gros et nécessitent des étapes de broyage supplémentaires pour produire une poudre. Un sécheur flasher mécanique peut produire une poudre finement broyée (~ 5 µm) ou des granulés plus gros (généralement jusqu'à 1-2 mm).

Figure 3 : Un sécheur flash mécanique offre une grande efficacité de séchage.

Le mélange intense du sécheur augmente la surface du produit pour assurer une évaporation rapide pour une efficacité de séchage élevée. Le sécheur flash mécanique utilise des courants d'air chauffés et des plaques de dispersion rotatives pour générer une fine couche de matériau. Cette fine couche assure un contact intime entre les particules à sécher et le flux gazeux chauffé. Compte tenu de sa dispersion sous forme de couche mince, le sécheur flash mécanique nécessite généralement un encombrement réduit par rapport aux sécheurs annulaires et par pulvérisation.

Le temps de séjour du matériau à l'intérieur du sécheur lui-même est court, en moyenne de deux à trois secondes. Une fois déchargé du sécheur, le matériau est transporté pneumatiquement vers les composants de séparation, généralement un cyclone suivi d'un filtre à manches. Pendant la période de transport, l'air chargé d'humidité fournit un refroidissement par évaporation du produit séché, abaissant rapidement la température du matériau pour éviter la dégradation ou le changement de couleur qui se produit avec une exposition prolongée à la température et au temps. Les sécheurs flash mécaniques ne nécessitent généralement aucun processus thermique en amont ou en aval, tels que des lits fluidisés ou des étapes de maintien courantes dans certaines opérations de séchage flash.

Les sécheurs flash mécaniques peuvent également broyer et sécher simultanément les gâteaux de filtration, les boues ou les solutions, ce qui génère un matériau en poudre utilisable directement à partir du sécheur et réduit la consommation d'énergie en aval si un broyage ultérieur est nécessaire. Les sécheurs flash mécaniques sont une alternative efficace et compacte aux sécheurs par pulvérisation non mécaniques et aux sécheurs annulaires, réduisant à la fois le coût total de possession et les coûts d'installation sans sacrifier la qualité du produit.

Les sécheurs à pales à couche mince (voir Figure 4) sont basés sur la technologie thermique indirecte, qui repose sur l'énergie thermique atteignant le produit à travers les surfaces chauffées. Les sécheurs à couche mince ont la plus grande efficacité thermique du traitement thermique indirect car la vitesse de pointe élevée maintient le matériau en contact constant avec la surface de chauffage/refroidissement. L'agitation continue d'un sécheur à couche mince fournit également un excellent mécanisme de mélange pour incorporer de multiples flux d'alimentation et/ou des ingrédients mineurs. Les sécheurs à couche mince produisent des tailles de particules comprises entre 1 et 3 400 microns et sont conçus pour fonctionner sur des solutions, des bouillies, des pâtes, des gâteaux de centrifugation, des gâteaux de filtration et des solides à écoulement libre.

Figure 4 : Un séchoir à pales à couche mince produit d'excellents coefficients de transfert de chaleur.

Les sécheurs à couche mince reposent sur un agitateur mécanique tournant dans un boîtier cylindrique. Le boîtier cylindrique a une chemise de transfert de chaleur qui peut être construite pour de la vapeur ou un milieu de transfert de chaleur liquide. Un rotor à l'intérieur du récipient cylindrique chauffé fonctionne à des vitesses de pointe élevées (5-25 m/seconde), ce qui force le matériau en une fine couche le long de la paroi du récipient cylindrique chauffé. Cela fournit le chauffage conducteur pour effectuer l'évaporation. L'enveloppe creuse de la paroi constitue toute la surface d'échange thermique. Un flux de gaz chauffé (souvent inerte) circule généralement à contre-courant du flux de matière, captant l'humidité évaporée et la transportant vers un condenseur pour la collecte. Etant donné que le gaz de purge n'est pas utilisé comme source de chaleur principale, la quantité de gaz requise est minimisée, ce qui permet un fonctionnement plus efficace et des exigences de fonctionnement inférieures.

Le rotor est constitué de palettes installées le long d'un arbre rotatif. L'angle de chaque palette peut être ajusté pour contrôler la vitesse de transport et le temps de séjour du matériau. À ne pas confondre avec un séchoir à pales de lit, les pales d'un séchoir à pales à couche mince ne fournissent aucun transfert de chaleur. Ces sécheurs peuvent être alimentés de force par un orifice situé sur le côté du navire ou alimentés par gravité par le haut. Le produit est généralement déchargé d'un port à l'extrémité opposée et ne convient qu'aux processus continus.

Les sécheurs à couche mince sont idéaux pour le refroidissement, la pasteurisation et le séchage des gâteaux humides et sont plus efficaces que les sécheurs flash. Leurs palettes à grande vitesse cassent les grumeaux et les agglomérats lâches pour un traitement thermique uniforme.

Plusieurs options d'alimentation, y compris l'alimentation par vis, le pompage et la pulvérisation dans le récipient, rendent cette option adaptée aux matériaux de presque toutes les consistances. Le court temps de séjour du sécheur, c'est-à-dire le temps que le matériau traité passe dans la machine, permet un contrôle strict de la température du matériau.

Les sécheurs flash mécaniques et les sécheurs à contact à couche mince sont optimaux pour le traitement thermique des matériaux sensibles à la chaleur en raison de leurs temps de séjour courts ou du contrôle strict de la durée et de la température d'exposition. Selon la nature du matériau du produit à traiter, plusieurs autres types de séchoirs sont également disponibles. Les sécheurs classés comme dispersion diluée ou à couche mince comprennent le sécheur par contact à couche mince, le sécheur par pulvérisation, le sécheur à tambour, le sécheur flash et le sécheur rotatif à chemise de vapeur.

La conception optimale du séchoir doit fournir les caractéristiques suivantes :

1. Exposition temps-température

La perte de qualité du produit résulte généralement des effets combinés du temps d'exposition et de la température de séchage. Si la conception du séchoir utilise un long temps d'exposition, la température de la source de chaleur doit être maintenue basse. D'autre part, les séchoirs qui fonctionnent avec des temps de séjour courts peuvent utiliser des températures de source de chaleur plus élevées, sans risquer de dégrader la qualité du produit.

Les conceptions de séchoirs ont des durées d'exposition variables (voir le tableau 1). Le sécheur flash mécanique fonctionne avec des temps de séjour extrêmement courts de moins de trois secondes. Le sécheur à pales à couche mince est capable de fonctionner avec une large gamme de temps de séjour, jusqu'à 30 minutes.

Tableau 1 : Exposition des solides aux conditions de chaleur

2. Exposition à l'air

Pour compenser la réduction du temps d'exposition à la température, la conception du séchoir doit maximiser l'efficacité du transfert de masse par évaporation. Un procédé pour obtenir cet effet consiste à fournir un contact intime entre les particules discrètes en cours de séchage avec le courant d'air (ou de gaz inerte). Le contact individuel des particules avec le flux d'air permet une bonne capacité d'élimination de l'humidité, en augmentant la force d'entraînement de la pression partielle différentielle pour l'évaporation.

Le degré d'exposition à l'air varie selon le séchoir. Le sécheur flash, le sécheur à lit fluidisé, le sécheur par pulvérisation et le sécheur à pales à couche mince fonctionnent tous avec des degrés élevés de contact discret particules-air.

3. Gradients de température et distribution des temps de séjour

Il est important de minimiser les gradients de température dans le matériau du produit chauffé pendant l'opération de séchage. Une distribution étroite du temps de séjour du matériau produit dans le sécheur assurera une qualité uniforme du produit.

Les conceptions de sécheur dans lesquelles le matériau du produit est chauffé sous forme de dispersion diluée ou sous forme de film mince dans des conditions d'écoulement piston satisferont ces critères. Les séchoirs dans lesquels le matériau produit est sous forme de masse en vrac peuvent être plus sujets aux gradients de température et/ou aux effets de distribution du temps de séjour.

L'efficacité thermique d'un sécheur flash est fonction de sa température des gaz en sortie et de son delta de température (différence de température des gaz en entrée/sortie), qui détermine le débit de gaz requis pour l'équilibre thermique. Plus la température de sortie des gaz est basse, plus le rendement thermique est élevé. Plus le différentiel de température du gaz est grand, plus le débit de gaz est faible et plus le rendement thermique est élevé.

La teneur en humidité maximale autorisée dans le produit déchargé placera normalement une limite inférieure sur la température des gaz de sortie du sécheur flash. La sensibilité à la température du matériau du produit définira normalement la limite supérieure de la température du gaz d'entrée du sécheur flash mécanique, établissant la condition de température delta maximale admissible. Le résultat net est que pour la plupart des applications de séchage, la charge thermique du séchoir mécanique est généralement de 1 500 à 2 000 BTU par livre d'eau évaporée.

L'efficacité thermique du sécheur à couche mince est fonction de la température de ses gaz de sortie et des pertes du système similaires à celles du sécheur flash. Cependant, le sécheur à couche mince ne dépend pas de la quantité de débit de gaz pour les exigences d'équilibre thermique. Le débit de gaz réduit entraîne une baisse de la puissance calorifique de la sécheuse dans la plage de 1 000 à 1 400 BTU par livre d'eau évaporée.

Le traitement de produits sensibles à la température pour les industries chimiques, alimentaires et minérales nécessite une analyse minutieuse du processus de séchage pour garantir la qualité du produit, une efficacité optimale et un minimum de déchets. Le séchage direct et le séchage indirect sont deux types de technologies de séchage idéales pour le traitement sensible à la température. Les sécheurs flash mécaniques et les sécheurs à palettes à couche mince offrent des solutions optimales, bien que les exigences de l'application déterminent le choix du sécheur.

Une analyse approfondie du processus, de l'usine et des besoins en capital permettra d'identifier la technologie qui correspond le mieux aux spécifications.

Qu'ils partent de zéro, cherchent à intégrer une nouvelle étape de processus dans un système existant ou à optimiser leur fonctionnement actuel, les fabricants peuvent travailler sur une ou toutes les étapes suivantes avec leur partenaire de traitement des solides pour répondre à leurs besoins en matériaux :

* Essais au banc : examiner un petit échantillon de matériau pour la faisabilité initiale* Essais à l'échelle pilote : effectuer des essais représentatifs sur des systèmes personnalisables* Mise à l'échelle : à partir des résultats des tests à l'échelle pilote, dimensionner un système de processus industriel qui répond aux exigences opérationnelles* Évaluation commerciale : Après la mise à l'échelle, fournir une offre complète pour l'évaluation CAPEX et OPEX* Définition du processus personnalisé : produire des échantillons de produits dans un processus continu pour l'évaluation du marché

Une évaluation minutieuse à l'aide de technologies éprouvées dans l'industrie aide les fabricants à développer le bon matériau pour leur application et accélère la mise sur le marché.

Peter Koenig est chef de produit, Bepex. Pour plus d'informations, appelez le 612-331-4370 ou visitez www.bepex.com.

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