Polyvalence du séchage des matériaux en vrac

Jess Elliot | 30 mars 2023

Le séchage des matériaux en vrac est une étape critique dans les industries de transformation. Les applications peuvent aller du séchage de produits alimentaires à la préparation d'ingrédients pharmaceutiques actifs et à la production de matières premières pour les batteries Li. La nécessité de sécher rapidement les matériaux dans des conditions contrôlées, sans dommage ni dégradation, a évolué vers de nombreuses conceptions de séchoirs de processus au fil des ans. Longtemps après la première méthode de séchage utilisant le soleil et le vent, les fabricants maintiennent désormais plus de contrôle pour réduire le temps de traitement en tirant parti de plusieurs approches éprouvées.

De nombreux processus sophistiqués et optimisés sont disponibles. Les technologies actuelles offrent des avantages spécifiques aux exigences et à l'application du produit, aux capacités, aux conditions, au temps et à l'espace disponible.

Qu'est-ce que le séchage ? En termes simples, c'est le processus physique par lequel les liquides volatils ou les solvants sont séparés ou évaporés pour donner un produit solide. La teneur en humidité ou en solvant des solides ou des poudres est le plus souvent évaporée par application d'énergie thermique ou de chaleur, mélange et vide. Les opérations de séchage suivent souvent la séparation mécanique ou l'élimination du solvant ou de l'eau des produits solides. Cependant, bien qu'énoncée simplement, la pratique consistant à éliminer l'humidité des produits présente de nombreux défis. Des précautions doivent être prises pour ne pas endommager, dégrader ou modifier chimiquement le produit. Par exemple, dans la fabrication de batteries Li, l'humidité résiduelle ou le solvant peut réduire ou créer des problèmes dans le revêtement des électrodes. Les opérations de séchage sont souvent utilisées après une précipitation ou des opérations de cristallisation avant la compression ou le remplissage ou les opérations de mélange ultérieures.

Les avantages du séchage incluent souvent une réduction des coûts d'emballage, de stockage et de logistique, une durée de conservation accrue et l'élimination de la contamination bactérienne.

- Séchage par atomisation : implique l'alimentation sous pression d'une suspension liquide à travers une buse d'atomisation dans un gaz chaud à grande vitesse provoquant une évaporation rapide de l'humidité. Le séchage est presque instantané mais nécessite souvent des étapes de séchage supplémentaires pour éliminer l'humidité liée résiduelle.

Configuration de pulvérisation sèche

- Lyophilisation (lyophilisation) : implique la congélation et le séchage sous vide, permettant à la glace de passer d'un solide à une vapeur sans passer par la phase liquide. Il est généralement utilisé pour les matériaux sensibles à la température tels que les vaccins ou les enzymes, se caractérise par la congélation de la solution de produit, suivie d'un séchage par sublimation à l'eau ou à l'humidité, et se terminant par un séchage secondaire par chauffage. (9e édition de Perry)

- Séchage au four ou séchoirs à plateaux : Chauffage du produit par convection dans une chambre pour volatiliser l'humidité à température constante permettant au liquide de s'évaporer. Les séchoirs à four sont souvent équipés d'un ventilateur ou d'une turbine favorisant le processus de séchage qui chauffe et sèche les produits. Les modèles sont équipés de plateaux mobiles. Les séchoirs à four sont très doux dans le traitement du produit mais sont sensibles aux longs temps de traitement.

Figure 3 : Four séchoir à plateaux

- Séchage par micro-ondes : Utilisation de micro-ondes créant de la chaleur pour convertir le liquide en vapeur en produit sec. Bien qu'efficaces, certains des inconvénients comprennent la dégradation ou les changements de la qualité du produit dus aux dommages causés par les micro-ondes.

Illustration du sèche-micro-ondes

- Séchoirs coniques (agités) : largement utilisés dans les industries de la batterie, de l'alimentation pharmaceutique, de la nutraceutique et de la chimie, le matériau est placé dans une cuve équipée d'un agitateur hélicoïdal. Au fur et à mesure que le matériau est agité pour favoriser le renouvellement de la surface, une chaleur indirecte et un vide sont appliqués à la bouilloire. La chaleur transférée dans le matériau convertit le liquide en vapeur. Le vide est appliqué à la bouilloire pour réduire la température d'ébullition de l'humidité ou du solvant facilitant un séchage efficace du produit à une température d'ébullition réduite de la phase liquide.

Il existe de nombreuses autres configurations de séchoirs telles que les séchoirs à tunnel, à tambour rotatif, à tambour, à film tombant et à bande. Celles-ci ne sont pas abordées ici mais sont également largement pratiquées dans l'industrie. (9e édition de Perry)

Séchoirs coniques (agités); 2 litres et 100 litres

Parmi les exemples, les séchoirs coniques (agités) sont l'une des techniques de séchage les plus polyvalentes et les plus largement déployées dans l'industrie et sont évolutifs de manière fiable, de l'équipement de paillasse à l'équipement à l'échelle commerciale, de 2 à plus de 4 000 l.

La théorie derrière les sécheurs coniques est l'utilisation de l'énergie thermique et du vide pour abaisser le point d'ébullition de l'humidité ou du solvant pour sécher les matériaux. L'énergie thermique indirecte est fournie par un récipient chemisé et une pale d'agitateur. Le vide est fourni par une pompe à vide externe ou un système permettant de chauffer et de sécher en dessous du point d'ébullition atmosphérique de l'humidité ou du solvant contenu dans les solides. L'agitateur, généralement un ruban ou une lame hélicoïdale, favorise "un mélange et un renouvellement en douceur des solides" dans le séchoir pour un renouvellement efficace du produit favorisant le renouvellement de l'humidité sans affecter le produit. Matières premières typiques, y compris les gâteaux de solides humides, les bouillies ou les pâtes et les fluides.

Séchage par contact et évaporation dans un sécheur conique utilisant la chaleur et le vide

Illustration d'un système de séchage conique

Les types d'humidité qui sont éliminés dans les séchoirs coniques comprennent :

- Fluide gratuit

- Fluide adhésif sur la surface des particules solides

- Fluide libre à l'intérieur des macro et micro capillaires (flux de liquide à travers les interstices solides) sur la surface du solide

- Fluide cristallin (humidité liée à la molécule)

Différents types d'humidité éliminés des solides

Les exemples d'application incluent le séchage de matériaux API cristallins, de produits alimentaires ou de gâteaux humides déchargés de sécheurs par pulvérisation ou d'équipements de filtration.

Dans l'industrie des batteries Li-ion, les sécheurs coniques sont largement utilisés dans l'extraction, la synthèse et la préparation des matières premières. Divers composés de lithium tels que le chlorure de lithium, le carbonate de lithium, l'hydroxyde de lithium monohydraté et l'hydroxyde de lithium sont des matériaux importants. Un tel exemple est le séchage de l'hydroxyde de lithium monohydraté pour séparer l'eau de l'hydroxyde de Li. D'autres exemples incluent le séchage des précurseurs et des matériaux actifs après les étapes de synthèse, de filtration et de lavage dans la préparation des matériaux NiCoMn.

Une étape importante dans la mise en œuvre ou la commercialisation d'un séchoir conique est la faisabilité technique et la preuve de concept. Des critères tels que l'état initial du produit, y compris la densité du gâteau, la viscosité ou la fluidité du produit d'alimentation, le type d'humidité et sa teneur, la courbe de pression de vapeur de l'humidité, les caractéristiques du gâteau ou des solides (porosité, homogénéité, propriétés hygroscopiques) et la qualité cible finale et les caractéristiques du produit sont tous très importants.

Sécheur et agitateur à l'échelle du laboratoire

Il est important de souligner que les fabricants de séchoirs disposent souvent d'installations d'essai ou d'instruments d'essai où les applications peuvent être évaluées avant la commercialisation ou la mise à l'échelle. Souvent, le développement dans un séchoir à banc ou à l'échelle pilote est extrêmement utile. Une courbe de séchage peut être préparée pour le produit évaluant le % d'humidité (initial et final) en fonction du temps par rapport à diverses températures et conditions de vide

Pour chaque produit, il existe une courbe de "séchage" représentative qui décrit les caractéristiques de séchage d'un produit à une température, une vitesse de séchage du gaz et des conditions de pression spécifiques. Cette courbe est appelée courbe de séchage pour un produit spécifique. Les variations de la courbe se produiront principalement dans le débit par rapport à la température, à la pression et à la conception du séchoir.

Illustration de la courbe de séchage

La courbe est extrêmement précieuse pour comprendre la thermodynamique associée au séchage de chaque produit unique au cours des trois phases de séchage :

1) Période initiale pendant laquelle la chaleur sensible et/ou le vide sont transférés au produit et contiennent de l'humidité

2) Période à taux constant où l'humidité libre persiste sur les surfaces des solides et l'évaporation est relativement constante à mesure que la teneur en humidité diminue.

3) Période de taux de chute où la migration de l'humidité des interstices internes de chaque particule vers la surface externe devient le facteur limitant du taux de séchage.

En plus des aspects ci-dessus, l'utilisateur doit également prendre en compte les équipements périphériques ou de support pour l'installation du séchoir tels que la source de chauffage et la source de vide, la récupération des solvants, la gestion ou la filtration et la manipulation des solides, et bien sûr la sécurité liée aux opérateurs et au site.

En conclusion, les séchoirs, en particulier les séchoirs à agitation conique, sont largement utilisés dans les industries chimiques, énergétiques, pharmaceutiques et alimentaires sur de nombreux marchés. Un examen attentif et une attention aux détails en partenariat avec le fournisseur conduiront généralement à une mise en œuvre réussie.

Lee Holliday est directeur des ventes de processus, Joseph Porcelli est directeur régional des ventes et Daniel Nenno est ingénieur des ventes de systèmes chez IKA Works Inc. Pour plus d'informations, appelez le 910-452-7059 ou visitez www.ikaprocess.com/en.

1. Manuel de génie chimique de Perry, 9e édition2. IKA Works Inc., Staufen, Allemagne3. Processheating.com

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