FR2473164A1 - Procede de sechage d'un solide en particules par soufflage d'air chauffe dans un echangeur thermique, et sechoir mettant en oeuvre le procede - Google Patents

Abstract

LE SECHOIR 1 COMPORTE UN CAISSON DE BASE 2, MIS EN DEPRESSION PAR DES VENTILATEURS 3, ET PRESENTE UNE FACE SUPERIEURE POREUSE. UN TRANSPORTEUR A RATEAUX 6 ENTRAINE UN LIT DE SOLIDE EN PARTICULES 8 D'UNE ALIMENTATION 9 A UNE EVACUATION 10, TRAVERSE VERTICALEMENT PAR L'AIR DE SOUFFLAGE. UN ECHANGEUR 5 FORME PAR DES NAPPES ALIMENTEES EN FLUIDE CALOPORTEUR PAR LE COLLECTEUR 5A, ET DEBOUCHANT DANS LE COLLECTEUR 5B, LES NAPPES ETANT VERTICALES POUR LAISSER PASSER LES DENTS 7 DE RATEAUX, EST NOYE DANS LE LIT DE SOLIDE 8. L'ECHANGEUR CEDE L'ENERGIE THERMIQUE DU FLUIDE CALOPORTEUR A TOUTE LA MASSE DE SOLIDE 8 TRAVERSE PAR L'AIR, DE SORTE QUE L'AIR EST SATURE D'HUMIDITE PARTOUT DANS LE LIT, ET SORT DE CELUI-CI A UNE TEMPERATURE VOISINE DE CELLE DU FLUIDE CALOPORTEUR. LE SECHAGE EST REGULIER ET DEMANDE UN VOLUME D'AIR MINIMUM.

Description

L'invention a trait à un procédé de séchage d'un solide de en particules où l'on souffle dans un lit de ce solide de l'air chauffé par passage dans un échangeur thermique à circuit de fluide caloporteur. L'invention se rapporte également à un séchoir mettant en oeuvre le procédé,
Dans les industries qui mettent en oeuvre des produits solides en particules, poudres, granulés, copeaux, à forte teneur en humidité et par tonnages importants, le séchage de ces produits pour en faciliter la manutention impose une consommation d'énergie importante pour évaporer l'eau contenue.Il est intéressant, lorsque les industries considérées rejettent des effluents fluides, tels que vapeur d'échappement, condensats, eaux de refroidissement, à des températures proches de 1000C, d'utiliser une partie de l'énergie de ces fluides pour le séchage des produits en particules, cette énergie apparaissant gratuite, sans compter les perturbations qu'entraSne pour l'environnement le rejet de ces effluents à température relativement élevée.L'industrie sucrière est un exemple type d'industrie où ces conditions sont réunies, en produisant comme déchet des tonnages considérables de pulpe de betterave contenant jusqu'à 80% d'humidité, tandis que la purification des Jus et la cristallisation du sucre donnent lieu à rejet d'effluents, vapeur et eaux, à énergie résiduelle notables
Le séchage d'un produit humide présente un double aspect : d'une part la transformation de l'humidité contenue en vapeur sous l'influence d'un apport d'énergie, et d'autre part l'évacuation de la vapeur formée en dehors du produit, cette évacuation étant obtenue dans la majorité des cas par soufflage d'air qui entrains l'humidité vaporisée,
Or la quantité d'eau à l'état de vapeur que peut contenir l'air varie très vite avec la température de l'air.Ainsi une masse de 1 kg d'air sec, contient, à saturation, 7,6 g de vapeur à 10 C, 27,1 g à 300C et 204,7 g à 650C.

On a proposé de sécher dés produits en particules en faisant passer de l'air dans un échangeur thermique avec un circuit où circule le fluide caloporteur évoqué précédemment, puis dans un lit du produit à sécher. A la traversée de l'échangeur l'air acquiert une énergie, ou chaleur sensible, qui est transférée partiellement à l'humidité contenue dans le produit, pour évaporer cette humidité. La température de l'air à la sortie du lit est abaissée par rapport de celle à l'entrée dans la proportion de l'humidité évaporée sous l'effet de l'énergie cédée, et la quantité évaporée est déterminée par la quantité de vapeur contenue dans l'air à la température de sortie.

Si l'on fait le calcul en partant d'air à 1000 et 80% d'humidité relative à l'entrée de l'échangeur, et porté à 700C à la traversée de cet échangeur, et en admettant que l'énergie cédée au produit sec est négligeable devant l'énergie absorbée par l'évaporation de l'humidité, ce qui est une approximation raisonnable pour un produit à forte teneur en humidité, on obtient comme résultat que l'air en sortie du lit de produit est à environ 30au, et a donc évaporé 21 g d'eau par kg d'air sec. Le séchage d'une tonne de produit en particules à 80% d'humidité exige le passage d'environ 30 000 mètres cubes d'air.

On a proposé également de sécher des produits en particules en formant un lit fluidisé par soufflage d'air au moins,des éléments d'échangeur étant disposés à l'intérieur du lit, de façon que l'air se réchauffe au contact de ces éléments et sorte du lit à température plus élevée que pré cédemment, tandis que l'agitation de fluidisation tende à homogénéiser l'action de l'air dans la masse. Le réglage du lit fluidisé est un problème difficile à résoudre notamment lorsque le produit à sécher estwen particules de tailles et formes irrégulières, et comporte une teneur élevée en humidité. En effet, la vitesse de l'air nécessaire à la fluidisation est fonction du rapport poids/surface des particules, et le poids d'une particule varie avec sa teneur en humidité. En outre un produit mouillé a tendance à s'agglomérer.Il s'ensuit des cheminements préférentiels de l'air de fluidisation, notamment au voisinage des échangeurs, où les particules sèchent plus vite, et le séchage du produit est irrégulier. De plus le réglage de la fluidisation sur toute l'étendue du lit impose des pertes de charge notables dans le dispositif d'insufflation, pour obtenir des densités de débits régulières.

Pour pallier ces inconvénients et sécher économiquement des produits en particules à forte teneur en humidité, l'invention propose un procédé de séchage d'un solide en particules, où l'on souffle dans un lit de ce solide de l'air chauffé par passage dans un échangeur thermique à circuit de fluide caloporteur, caractérisé en ce que, l'é- changeur étant étendu en direction générale horizontale avec une hauteur sensiblement constante, on alimente à une première extrémité et on évacue à une extrémité opposée de l'échangeur un lit en translation continue du solide en particules, qui noie l'échangeur, et l'on souffle de l'air verticalement à travers le lit.

Comme l'échangeur est noyé dans le lit sur toute sa hauteur, et que l'air traverse le lit suivant cette hauteur, l'échange thermique entre le fluide caloporteur et la masse à sécher, soit par contact direct soit par l'intermédiaire de l'air de soufflage, se produit sur toute la hauteur du lit, de sorte que l'air sort du lit à une température proche de celle qu'il aurait acquis dans l'échangeur nu.Par ailleurs, la translation du lit, d'une extrémité à l'autre de l'échangeur, provoque un séchage progressif du produit en particules au cours de la translation, tandis que la teneur en humidité de ce produit est approximativement constante dans une tranche verticale prise perpendiculairement à la translation, l'apport d'énergie pour l'évaporation de l'humidité étant approximativement constant dans la tranche considérée par unité de hauteur0
De préférence le fluide caloporteur est à une température au plus égale à 1000C environ.Ainsi, outre que l'éner- gie interne du fluide caloporteur qui sera cédée pour évaporer l'humidité du produit peut être récupérée sensiblement gratuitement sur des effluents, il n'y a pas de risques d'évaporation brutale au contact de l'échangeur, ni de début de calcination du produit au voisinage de l'évacuation0
De préférence également on retient le lit de solide en particules au moins par une face horizontale d'où sort l'air souffle, au moyen d'une paroi poreuse. On évite ainsi que le courant d'air soufflé entraîne des particules, et particulièrement, quand l'air est soufflé de bas en haut dans le lit, la formation d'un lit fluidisé irrégulier.

Sous un autre aspect, l'invention propose, pour mettre en oeuvre le procédé précité, un séchoir qui comporte un échangeur en forme de parallélépipède rectangle avec une longueur sensiblement horizontale et une épaisseur verticale, un caisson équipé de moyens de ventilation et disposé avec une paroi supérieure poreuse à faible distance sous l'échangeur, des moyens de translation adaptés à entrainer le solide en particules suivant la longueur de l'échangeur en un lit qui noie l'échangeur, d'une première à une seconde extrémité de celui-ci, extrémités équipées respectivement de moyens d'apport et d'évacuation du solide en particules.

Le circuit d'échangeur est de préférence constitué d'une multiplicité de nappes parallèles verticales étendues longitudinalement et connectées à un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie de fluide caloporteur.

Si le fluide caloporteur est de l'eau les collecteurs sont connectés respectivement à des extrémités supérieure -et inférieure des nappes, le collecteur d'entrée étant connecté respectivement à l'extrémité inférieure ou supérieure selon que les moyens de ventilation sont adaptés à souffler ou extraire l'air du caisson, ctest-à-dire que l'air entre dans le lit par le bas ou par le haut, de sorte que les circulations suivant la verticale de l'eau caloporteuse et de l'air sont à contre-courant dans le lit, afin d'augmenter la température de l'air de sortie et le rendement massique de l'évaporation0
Les moyens de translation peuvent être des bandes sans fin formant tapis transporteur. On préfèrera utiliser des transporteurs à rateaux avec une chaîne sans fin placée parallèlement à la paroi supérieure du caisson et des dents verticales passant entre les nappes d'échangeur. Si les moyens de ventilation soufflent dans le caisson, il sera préférable de disposer une nappe poreuse à faible distance au-dessus de l'échangeur pour retenir le solide en particules dans le lit.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'un séchoir selon l'invention t
la figure 2 est une coupe suivant le plan Il-Il de la figure lo
Selon la forme de réalisation choisie et représentée, le séchoir 1 dans son ensemble comporte un caisson parallélépipédique 2, posé sur le sol, et équipé de ventilateurs 3, capables de mettre le caisson 2 en dépression.Ce caisson est fermé à sa partie supérieure par une paroi poreuse 4, formée d'une toile, d'un grillage ou d'une grille, ou d'une tôle perforée, dont les ouvertures sont suffisantes pour laisser passer l'air, mais de dimension suffisamment faible pour ne pas laisser passer le solide en particules 8 que l'on doit sécher,
Au-dessus de la paroi poreuse 4 sont disposées des nappes 5,5' ,5",5"' d'échangeur thermique, verticales et étendues longitudinalement ; deux collecteurs 5a et 5 réunissent transversalement les extrémités, respectivement d'entrée et de sortie des serpentins de nappes.

Au-dessus des nappes d'échangeur 5-5"' est placé un transporteur à rateaux 6 dans son ensemble, étendu sensiblement horizontalement et en direction générale longitudinale, qui comprend une chaine sans fin 6c qui passe sur des rouleaux d'entraînement 6a et 6b. La chaine 6c porte, à intervalles réguliers, des rangées transversales de dents 7, normales à la chaîne 6c, entre lesquelles les nappes d'échangeur s'intercalent. Le déplacement de la chaine 6c, de gauche à droite pour le brin inférieur sur la figure 1, entrasse la matière solide en particules18 entre la paroi poreuse 4 et le brin inférieur de la chaine 6c. Cette matière 8 est débitée à l'état humide par un couloir d'alimentation 9 à vis d'Archimède et est reprise séchée par un couloir d'évacuation 10 à vis d'Archimède.Les débits de matière solide en particules des couloirs d'alimentation 9 et d'évacuation 10 sont déterminés en fonction de la vitesse de translation du transporteur à rateaux 6 de manière à ce que la matière 8 forme un lit, non tassé, qui s'étend en hauteur sensiblement de la paroi poreuse 4 au brin inférieur de la chaîne 6c, et noie les nappes d'échangeur 5-5"'.

Par le collecteur 5a arrive un effluent liquide caloporteur, à une température voisine de 70-800C, qui sera repris, après circulation dans les nappes 5-5"', par le collecteur 5b. Dans chaque nappe l'effluent circule en va-etvient longitudinal, avec un déplacement général de bas en haut, à contre-courant de l'air qui, aspiré dans l'atmosphère extérieure par le haut du séchoir, traverse les deux brins de la chaîne 6c, puis le lit de matière solide en particules 8 pour pénétrer dans le caisson 2, d'où il est rejeté dans l'atmosphère par les ventilateurs 3. Les dents 7, qui ont une dimension transversale notable pour assurer un entrainement convenable de la matière à sécher, assurent également le passage vertical de l'air dans le lit de matière 8.

La chaleur sensible de l'effluent est transférée, par les nappes d'échangeur 5-5"', au milieu environnant formé des particules de matière et de l'air en circulation turbulente. La majeure partie de l'énergie absorbée par ce milieu est constituée par l'énergie latente d'évaporation de l'humidité contenue dans la matière solide en particules, de sorte que, à chaque niveau du lit, la température de la matière et de l'eau est pratiquement la température de l'air saturé d'humidité contenant la quantité de vapeur d'eau évaporée par le flux d'énergie cédé par l'effluent en amont de ce niveau.Comme le flux d'énergie est fonction de la différence de température entre l'effluent et le milieu environnant, on comprendra que, dans une tranche verticale entre deux plans de dents 7, la température du lit et la teneur en humidité de l'air traversant croissent régulièrement de l'entrée à la sortie de l'air dans le lit, de sorte que, à la sortie du lit, et à l'entrée dans le caisson, l'air est à une température peu inférieure à celle de l'ef- fluent caloporteur à l'entrée 5a dans les nappes d'échangeur.

On aura compris que le transfert d'énergie thermique de l'échangeur au lit de matière en particules où circule l'air sera d'autant plus efficace que, à tous niveaux, la température dans le lit est proche de la température de l'échangeur, en sorte que l'énergie cédée par ce dernier soit utilisée essentiellement à vaporiser l'humidité. Si donc des parties de l'échangeur se trouvaient en dehors du lit, l'efficacité serait réduite pour celles qui seraient en amont par rapport au sens de circulation de l'air, où l'énergie serait cédée à l'air sous forme de chaleur sensible, et l'efficacité des parties en aval du lit serait nulle.On doit donc considérer que seules les parties d'échangeur noyées dans le lit ont un r8le actif d'échange thermique, tandis que les parties qui émergent du lit ont un rôle totalement passif en aval, et faiblement actif en amont par rapport à la circulation de l'air. Ces parties émergentes ne sont pratiquement pas à prendre en compte dans l'établissement d'un bilan de séchage0
Si la matière 8 est une pulpe de betteraves à 80% d'humidité, avec une température d'entrée d'effluent caloporteur de 750-850C, l'air peut sortir à environ 650C, et contenant environ 205 g de vapeur d'eau, étant entré à 100C et 80% d'humidité. L'humidité évaporée sera de 199 g par kg d'air sec.Le séchage d'une tonne de pulpe demandera alors le passage d'environ 3500 m3 d'airs
Par ailleurs la dessication de la matière en particules ira progressant au fur et à mesure de la translation du lit de l'alimentation à l'évacuation, de sorte que la dessication de la matière séchée sera pratiquement uniforme à la sortie du séchoir0
Pour éviter l'encrassement de la paroi poreuse 4 par de la matière qui, non raclée par l'extrémité des dents 7, formerait une couche de fond fixe, on peut utiliser comme paroi 4 un tapis poreux qui progresse à la même vitesse que les dents 7.

On peut également inverser le sens de soufflage des ventilateurs 5 en sorte que le caisson 2 soit en surpression par rapport à l'atmosphère extérieure. L'air alors traverse la paroi poreuse 4 de bas en haut (flèches en tiretés de la figure 2) et a tendance à décoller la matière de la paroi poreuse 4. Dans cette disposition, l'effluent caloporteur sera introduit par le collecteur 5b et ressortira par le collecteur 5a situé en dessous du collecteur 5b, pour retrouver le contre-courant air/effluent caloporteur.Par ailleurs la chaîne 6c constituera paroi poreuse par garnissage par une toile ou un grillage, de manière à retenir la matière 8, plus sèche et légère à la sortie de l'air soufflé0
Enfin on peut utiliser, comme fluide caloporteur dans les nappes d'échangeur 5-5m, de la vapeur d'échappement au lieu d'effluent liquide. Dans la mesure où une telle vapeur est disponible, sensiblement à la pression atmosphérique et donc au voisinage de 100 , il sera intéressant de l'utiliser comme fluide caloporteur plutôt que de la rejeter dans l'atmosphère, ou de la récupérer dans un condenseur où son énergie latente sera perdue. Le sens de circulation de la vapeur dans les nappes 5-5m de l'échangeur est indifférent, l'énergie étant transférée dans tout l'échangeur à température sensiblement constante par condensation0
Bien entendu l'invention n'est pas iimitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exé caution,

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé de séchage d'un solide en particules, où l'on souffle dans un lit de ce solide de l'air chauffé par passage dans un échangeur thermique à circuit de fluide caloporteur, caractérisé en ce que, l'échangeur étant étendu en direction générale horizontale avec une hauteur sen iblement constante, on alimente à une première extrémité et on évacue à une extrémité opposée de l'échangeur un lit en translation continue du solide en particules, qui noie l'échangeur sur toute sa hauteur, et l'on souffle de l'air verticalement à travers le lit.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est à une température au plus égale à 1000C environ,

3. Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'on retient le lit de solide en particules, au moins par une face horizontale d'où sort l'air soufflé, au moyen d'une paroi poreuse0

4.Séchoir pour solide en particules comprenant un échangeur à un circuit de fluide caloporteur, et des moyens de soufflage d'air à travers l'échangeur et un lit du solide en particules, caractérisé en ce que l'échangeur étant en forme de parallélépipède rectangle avec une longueur sensiblement horizontale et une haltur verticale, le séchoir comporte un caisson équipé de moyens de ventilation et disposé avec une paroi supérieure poreuse à faible distance sous 1 échangeur, des moyens de translation adaptés à entraîner le solide en particules suivant la longueur de l'échangeur, en lit qui noie l'échangeur d'une première à une seconde extrémité de celui-ci, extrémités équipées respectivement de moyens d'apport et d'évacuation du solide en particules0

5.Séchoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit d'échangeur est constitué d'une multiplicité de nappes verticales parallèles étendues longitudinalement et connectées à un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie de fluide caloporteur0

6. Séchoir selon la revendication 5, où le fluide caloporteur est de l'eau, caractérisé en ce que lesdits collecteurs étant connectés à des extrémités respectivement supérieure et inférieure desdites nappes, le collecteur d'entrée est connecté respectivement à ladite extrémité inférieure ou supérieure selon que les moyens de ventilation sont adaptés à souffler ou extraire l'air du caissons

7. Séchoir selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de translation comprennent un transporteur à rateaux, avec une chaine sans fin étendue parallèlement à la paroi supérieure du caisson avec des dents verticales passant entre les nappes d'échangeur0

8. Séchoir selon une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de translation comprennent un tapis poreux sans fin formant paroi supérieure de caisson0

9. Séchoir selon une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens de ventilation étant adaptés à souffler l'air dans le caisson, une nappe poreuse est disposée à faible distance au-dessus de l'échangeur0