FR3047062B1 - Procede et installation de sechage d'un materiau poreux, par intermittence, dans lequel les periodes de sechage coincident avec la periode d'accessibilite initiale de sechage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de séchage d'un matériau poreux visant un séchage à cœur du matériau, de type par intermittence, alternant périodes de séchage par courant d'air appliqué en surface du matériau et périodes passives sans séchage par courant d'air, caractérisé en ce que : - les périodes de séchage par courant d'air sont réalisées chacune pendant une période Ta coïncidant essentiellement avec la période d'accessibilité initiale de séchage, les périodes passives sont réalisées chacune pendant une période Tp au cours de laquelle le matériau présente un pourcentage d'humidité à cœur supérieur au pourcentage d'humidité en surface jusqu'à tendre vers un pourcentage d'humidité en surface égal au pourcentage d'humidité à cœur
Description
Procédé et installation de séchage d’un matériau poreux, par intermittence, dans lequel les périodes de séchage coïncident avec la période d’accessibilité initiale de séchage. L’invention concerne le domaine des techniques de séchage industriel de matériau poreux. Plus précisément, l’invention concerne les techniques de séchage par intermittence, alternant périodes de séchage par courant d’air appliqué en surface du matériau et périodes passives sans séchage par courant d’air.
Dans le domaine de l’invention, il est connu de l’art antérieur divers procédés de séchage par intermittence, utilisés à des échelles variables, par exemple en laboratoire, sur des installations pilotes ou des installations industrielles.
Bien entendu, tous les procédés testés et/ou utilisés visent à l’amélioration de la qualité des produits et/ou la performance des processus en réduisant la consommation énergétique.
On rappelle que le séchage intermittent est une opération de séchage avec plusieurs périodes de variations des conditions de déshydratation extérieures, avec différentes vitesses de séchage. Le séchage intermittent consiste donc en l’application de façon discontinue, en fonction de la cinétique de séchage et des exigences de qualité de la matière en termes de vitesse de courant d’air de séchage, ainsi que de sa température, de son humidité et de sa pression, d’apport de chaleur externe. Cet apport de chaleur peut-être obtenu par différents moyens connus, tel que par contact, par convection ou encore par ultra haute fréquence (de 300 MHz à 3000 MHz).
Le principe de l’intermittence c’est d’introduire des périodes de tempérance pour égaliser les champs de taux d’humidité et de température internes. Ainsi, dans chaque période de tempérance, l’humidité se redistribue à l’intérieur du matériau.
Cela engendre plusieurs effets avantageux, parmi lesquels : - la qualité est améliorée en réduisant ou en évitant une surchauffe ou un séchage excessif de la couche de la surface ; - on évite les phénomènes de « cracking », de rupture, ou de formation de croûte en surface du matériau ; - il peut être envisagé d’augmenter la vitesse de séchage, du fait du retour d’humidité en surface du matériau (de par la répartition de l’humidité au sein du matériau). L’intermittence de séchage peut se traduire par des modifications périodiques et des changements cycliques, contrôlés ou arbitraires, des principaux paramètres du procédé, ceci en fonction des besoins de la matière de séchage et du type du sécheur. Ainsi, quand le processus de séchage est de type discontinu (« batch »), les conditions du process peuvent être modifiées dans le temps en vue d’harmoniser les taux de transfert de chaleur et de masse externes et internes. Quant au séchage en continu, les variations des conditions du procédé peuvent prendre place en fonction des positions spatiales de l’opération.
Selon les techniques de l’art antérieur, trois paramètres principaux sont souvent pris en considération dans les systèmes de séchage intermittent contrôlés, que ce soit en considérant la variation temporelle dans le séchage par lots et/ou la variation spatiale dans le séchage continu, à savoir : - la vitesse d’écoulement d’air ; - les niveaux de pression du réservoir du matériau à sécher (entre deux niveaux différents) ; - les niveaux d’apport de chaleur.
En analysant l’art antérieur, on constate que les études et les applications des niveaux des paramètres aux deux périodes successives, à savoir la période active de séchage et la période passive (sans séchage par courant d’air), et leur durée respective Ta et Tp, peuvent impliquer un grand nombre de combinaisons et de permutations.
Cela étant, les réalisations antérieures sont généralement fondées sur les approches principalement expérimentales menant souvent à des périodes actives excessivement longues.
Ainsi, à des fins d’optimisation, les modèles mathématiques utilisés, de façon empirique ou fondamentale, sont fondés sur des opérations de fonctionnement de type permanent, tandis que l’approche du séchage par intermittence nécessite plutôt un fonctionnement basé sur une succession d’étapes de séchage de courte durée (autrement appelée étapes transitoires). Chaque étape active a pour objectif d’assurer l’élimination de l’eau présente à la surface du matériau alors que les périodes de tempérance, hors du flux d’air de séchage, assurent l’homogénéisation de son humidité interne et ramènent l’humidité vers la surface pour qu’elle soit éliminée lors de la période active ultérieure. L’invention s’inscrit donc dans cette approche d’optimisation du séchage par intermittence.
Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer une technique de séchage par intermittence, à l’aide d’un flux d’air appliqué en surface du matériau à sécher, qui permette d’obtenir une amélioration de la qualité du matériau séché et des performances techniques de l’opération. L’invention a également pour objectif de proposer une telle technique qui permette d’envisager une réduction éventuelle du temps de séchage. D’autre part, l’invention a aussi pour objectif de proposer une telle technique de séchage qui permette d’envisager une réduction de la consommation énergétique.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet un procédé de séchage d’un matériau poreux visant un séchage à cœur du matériau, de type par intermittence, alternant périodes de séchage par courant d’air appliqué en surface du matériau et périodes passives sans séchage par courant d’air, caractérisé en ce que : - les périodes de séchage par courant d’air sont réalisées chacune pendant une période Ta coïncidant essentiellement avec la période d’accessibilité initiale de séchage, - les périodes passives sont réalisées chacune pendant une période Tp au cours de laquelle le matériau présente un pourcentage d’humidité cœur supérieur au pourcentage d’humidité en surface jusqu’à tendre vers un pourcentage d’humidité en surface égal au pourcentage d’humidité à cœur.
Tel que cela va être explicité ci-après, le principe de l’invention réside donc dans une succession de cycles constitués chacun d’une étape de séchage de courte durée (transitoire) fondée sur l’accessibilité initiale, et d’une étape dite diffusionnelle (période passive), au cours de laquelle le principal processus concernant le séchage s’effectue à très faible vitesse du fait de la diffusion de l’humidité au sein du matériau poreux.
On rappelle que, de façon classique, dans les opérations de séchage par courant d’air, une première étape de séchage de courte durée (transitoire) a lieu, cette étape concernant l’élimination de l’humidité de la surface du matériau et se traduisant généralement par l’accessibilité initiale.
Cette notion d’accessibilité initiale a fait l’objet de quelques études fondamentales (Cf. notamment l’article publié par « Techniques de l’ingénieur » le 10/09/2012 « Swell-Drying : séchage et texturation par DIC des végétaux » ; Auteurs : Karim Allai, Sabah Mounir et Tamara Allai).
Ces études montrent en effet que l’opération de séchage débute par une sollicitation de la surface d’échange liée à la vitesse et aux caractéristiques du flux d’air, ceci sans qu’il n’y ait une vitesse limitante pendant cette étape. Par la suite, le processus de diffusion interne d’humidité au sein du matériau poreux intervient, ce processus constituant en lui-même un paramètre limitant. Il en résulte que l’impact du flux d’air est limité par une vitesse supérieure au-delà de laquelle la cinétique et donc la durée de l’opération de séchage ne sont pas modifiées.
Dans les techniques classiques, l’étape transitoire fondée sur l’accessibilité initiale est immédiatement suivie d’un processus quasi statique couplant la diffusion interne de l’humidité (généralement de très faible vitesse) et le séchage superficiel.
Au cours de la suite du processus de séchage quasi statique, le choix des paramètres caractéristiques du flux d’air (vitesse, humidité et température) rendent le processus totalement asservi par le phénomène de diffusion interne de l’humidité du cœur de la structure de la surface d’échange.
En d’autres termes, l’opération est aussi lente que l’impose la diffusion interne de l’humidité. L’invention propose donc une optimisation des deux étapes caractéristiques d’un processus de séchage, à savoir une étape transitoire de courte durée et de grande efficacité (période de séchage par courant d’air coïncidant avec la période d’accessibilité initiale de séchage) et une étape diffusionnelle normalement à très faible vitesse.
Grâce à l’invention, on limite l’injection d’air à une durée assurant l’élimination de l’eau qui a atteint la zone superficielle. Ensuite, il est procédé à un maintien des conditions opératoires dans la plus proche recherche de la distribution homogène de l’humidité au sein de la matière, sans injection du courant d’air.
On note que les périodes de séchage grâce au courant d’air, en étant de faible durée, évitent une dégradation inutile du matériau (contrairement à l’art antérieur qui expose la surface du matériau à un flux d’air chaud pendant une durée excessive), conduisant par conséquent à un produit sec de meilleure qualité qu’avec les techniques de l’art antérieur.
En réduisant les durées des périodes de séchage par courant d’air, des gains sont également à envisager du point de vue de la consommation énergétique et de l’utilisation de ventilation à grande vitesse, ceci d’autant plus que la déshydratation par convection à la surface de la matière est obtenue avec un flux d’air dont les caractéristiques de vitesse, d’humidité relative et de température, sont indépendantes les unes des autres.
On note que l’étude et l’optimisation des durées de chaque étape sont réalisées en fonction des conditions extérieures de flux d’air (température, vitesse, humidité relative et humidité de la surface d’échange) et en fonction de la diffusivité de l’eau au sein du produit, et de l’épaisseur de la couche du produit à sécher respectivement.
Selon une solution avantageuse, les périodes Ta et Tp sont déterminées de telle sorte que : 4 < Tp/Ta < 100, et préférentiellement de telle sorte que 10 < Tp/Ta < 60.
Selon un mode de réalisation préférentiel, Ta <30 secondes et/ou Tp > 6 minutes.
Sur un mode de réalisation particulier, Ta et Tp sont liés par la fonction suivante : dans laquelle :
k : est le coefficient de transfert convectif de la vapeur d’eau par courant d’air ; il dépend principalement du vecteur vitesse du courant d’air, k est exprimé en m/s. Ρη2ο : est la masse volumique de la vapeur d’eau., exprimée en kg/m3. pw : est la pression partielle de la vapeur d’eau à la température de la surface considérée, exprimée en Pa. aws : est l’activité de l’eau à la surface considérée. Elle est généralement distincte de l’activité de l’eau à l’humidité globale du matériau.
Pt : est la pression totale de l’opération, exprimée en Pa.
Pw.air ' est la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air interagissant avec la surface. Elle est généralement égale à pwair * l'humidité relative HR et est exprimée en Pa. W : est la teneur en humidité (base sèche) du matériau, exprimée en g H2O/g base sèche. ps : est la masse volumique apparente de la matière sèche, exprimée en kg/m3.
Deff : est la diffusivité globale effective de l’humidité au sein de la matière sèche, exprimée en m2/s.
Il est à noter que des mesures expérimentales ont confirmé des études fondamentales selon lesquelles on constate une augmentation systématique de la valeur de k avec la vitesse du flux d’air sans aucune limitation.
Selon une caractéristique particulière, la période Ta est paramétrée par rapport à la quantité Mv de vapeur prélevée de la surface par la fonction suivante : dans laquelle :
S : est la surface effective d’échange entre le flux d’air et la matière. Elle est exprimée en m2.
Selon une autre caractéristique particulière, la période Ta est paramétrée par rapport à une épaisseur e de séchage homogène en surface par la fonction suivante :
Selon encore une autre caractéristique préférentielle, Tp est paramétré par rapport à une épaisseur e de séchage homogène en surface par la fonction suivante :
dans laquelle Deff est le coefficient de diffusion effective du matériau à sécher. L’invention concerne également une installation mettant en œuvre le procédé de séchage tel que décrit précédemment, l’installation étant caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux lignes de séchage ayant des moyens de séchage par ventilation en commun, les moyens de séchage opérant une période de séchage Ta sur le matériau d’une des lignes tandis que le matériau de l’autre ligne est en cours de période passive Tp.
On comprend qu’une installation mettant en œuvre le procédé suivant l’invention peut donc être conçue de façon à optimiser le recours à des moyens de séchage, en les mettant successivement en œuvre sur les différentes lignes composant l’installation, et en opérant une période de séchage sur l’une des lignes tandis que les autres sont en période passive.
Il apparaît donc clairement que l’on peut de cette façon optimiser le rendement d’une installation et réduire le temps global de séchage de la masse totale de matériau.
Préférentiellement, la relation (Tp + Ta)/Ta conduit à la détermination d’une valeur n et ce que l’installation globale comprend E(n) lignes de séchage.
On obtient de cette façon un nombre de lignes de séchage optimal pour une installation de séchage mettant en œuvre le procédé selon l’invention.
En effet, le nombre de lignes de séchage est ainsi calculé de telle sorte que, pour une ligne considérée, lorsque le séchage s’arrête, il est déclenché successivement sur l’ensemble des autres lignes, après quoi le séchage reprend dans la ligne considérée en coïncidant avec la fin de la période passive.
Selon un autre mode de réalisation envisageable, l’installation peut ne comprendre qu’une seule ligne comprenant par exemple un tapis en mouvement relatif avec une vitesse v, et intégrant des zones de haute vitesse d’air sur une courte distance (quelques mm=v*Ta) séparées par des zones de tempérance sur une longueur relativement importante (quelques dizaines de cm=v*Tp) selon l’équation citée plus haut. D’autres caractéristiques avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, donné un titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une courbe caractéristique d’un séchage opéré avec le procédé selon l’invention en comparaison avec le procédé conventionnel ; - la figure 2 est une illustration schématique d’une installation mettant en œuvre un procédé selon l’invention (Ici, 4 sécheurs à lit fluidisé).
Tel que l’illustre la courbe de la figure 1, un procédé de séchage d’un matériau poreux selon l’invention, visant un séchage à cœur du matériau, de type par intermittence, alterne périodes de séchage par courant d’air appliqué en surface du matériau et périodes passives sans séchage par courant d’air.
La courbe montre une succession de cycles composé chacun d’une période de séchage par courant d’air et d’une période passive (sans séchage pour courant d’air), au cours de laquelle l’humidité tend à s’homogénéiser au sein du matériau.
Selon le principe de l’invention, chaque période de séchage par courant d’air est réalisées pendant une période Ta coïncidant essentiellement avec la période d’accessibilité initiale de séchage.
Ainsi, chaque étape de séchage correspond à une sollicitation de la surface d’échange, après laquelle seulement la diffusion ne devient limitante (au cours de la période passive). Le temps de chaque période de séchage est ainsi défini pour correspondre avec le temps au cours duquel l’eau est facilement éliminée à partir de la surface, indépendamment du processus de diffusion interne de l’eau.
De plus, les périodes passives sont quant à elles réalisées chacune pendant une période Tp au cours de laquelle le matériau présente un pourcentage d’humidité cœur supérieur au pourcentage d’humidité en surface jusqu’à tendre vers un pourcentage d’humidité en surface égal au pourcentage d’humidité à cœur.
Dans la mise en œuvre du principe de l’invention, on applique préférentiellement les rapports suivants: 4 < Tp/Ta <100, et préférentiellement 10 < Tp/Ta < 60. A titre de valeurs préférentielles indicatives, on prend en pratique l’une et/ou l’autre des valeurs suivantes : - Ta < 30 secondes et - Tp> 6 minutes
Il résulte de l’invention que, au cours de la période active Ta d’un cycle, une quantité de vapeur mv est prélevée de la surface ; sa valeur dépend du coefficient de transfert de masse de vapeur par convection k (qui dépend étroitement de la vitesse du flux d’air : k~v0,56) et de la pression partielle pw de vapeur d’eau à la température considérée, ainsi que de l’activité de l’eau aw,s à la surface de la matière considérée.
Le fait d’adopter l’hypothèse d’un séchage fondé sur l’accessibilité initiale ôWs donc de très courte durée (Ta de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, voire quelques minutes), il est postulé dans le cadre de l’invention que :
Sur la base de cette même supposition, il est possible de postuler l’hypothèse d’une homogénéité du séchage sur une faible épaisseur e, ce qui permet d’écrire :
La diffusion effective devra être destinée à recharger le volume (S*e) par une quantité sensiblement voisine de ce qui a été éliminé au cours de l’étape active :
On établit la relation suivante :
Cette opération implique une durée Tp :
Dans la limite des hypothèses citées plus haut, la durée de l’étape tempérée Tp est liée à celle de la période active Ta par :
Ainsi pour des paramètres ayant comme ordre de grandeur les quantités suivantes: - k=10'5 m s’1; Deff=1O’10 m2 s1 ; Pw=50 kPa ; P,= 105 Pa ; W=1 g H2O/g db et ps=400 kg/m3 - si Ta=15 s, on peut estimer Tp à : Tp=225 s
La fréquence de cette opération cyclique est choisie pour obtenir une opération de séchage particulièrement efficace et un des taux les plus rapides. En fait, le taux de séchage peut être augmenté, tandis que la consommation globale de chaleur est abaissée et cela fournit une meilleure qualité des produits (céréales, fruits, légumes, algues, herbes, etc.). La durée de la période active est estimée pour éliminer la seule humidité de la surface alors que la durée de la période tempérée est estimée pour permettre à l'humidité interne de migrer vers la surface. Une distribution plus uniforme de l'humidité dans le volume du produit et une température plus basse à la surface se produisent, de sorte que lorsque la période active du cycle suivant est déclenchée, il y ait suffisamment d'humidité à la surface de séchage pour fournir un potentiel plus élevé de transfert de masse pour le séchage. La forte réduction de la période active empêche l’opération d’élimination de l’eau de la surface d’être suffisamment efficace.
Le séchage par intermittence nécessite inévitablement un respect intime des caractéristiques propres de la matière et doit être défini en stricte corrélation avec les conditions (extérieures) du séchage (vitesse, température, humidité du flux d’air).
De nombreuses opérations expérimentales ont été réalisées. Le tableau ci-après présentent les résultats obtenus avec le procédé selon l’invention, mettant en évidence tout particulièrement l’augmentation effective de la vitesse de séchage AW/ta de 0,037 à (0,094 ; 0,123 ; 0,219 et 0,757) ; dès le passage du séchage continu (Tp=0 s) vers du séchage de plus en plus « tempéré » (Tp de 25 ; 50 ; 100 et 600 s) :
Les études fondamentales et expérimentales réalisées sur de nombreux produits, montrent que le séchage intermittent objet de la présente invention se distingue par les possibilités d'être contrôlé à travers la température T et la vitesse de l'air v. Le choix de ces paramètres T et v, ainsi que les valeurs de la durée de la période active ta et de la période de repos tp, peut être effectué en vue de réduire la durée totale de l'opération, augmenter le taux de déshydratation pendant la période active AW/ta, et/ou atteindre une grande diminution de la température de la surface de la matière (<AT>/Ta).
Ainsi, dans les exemples étudiés, on peut considérer Ta et Tp, l'épaisseur X et la vitesse v comme paramètres opératoires (Variables indépendantes) et AW/ta, et <AT>/Ta comme réponses. Nous constatons qu'il a été possible d'avoir un taux de déshydratation passant de 0,06 (séchage continu) à 0,36 g H2O/g base sèche/s; (séchage intermittent de Ta=15 s et Tp=3 min) ; soit six fois supérieur.
En référence à la figure 2, on décrit ci-après, de façon schématique, une installation de séchage 1 reposant sur la mise en œuvre du procédé de séchage selon l’invention.
Tel que cela apparaît, l’installation comprend une pluralité de lignes 2 de séchage, toutes susceptibles d’être couplées, de façon tournante, à des moyens de séchage communs 3. Les moyens de séchage peuvent consister en une ventilation focalisée sur des sécheurs à lit fluidisé mis en œuvre successivement, chaque ligne étant donc pourvue d’un tel sécheur à lit fluidisé.
Les lignes de séchage comprennent chacun des moyens de chargement (non représentés), permettant des alimenter de façon continue ou discontinue en matériau à sécher.
Les lignes sont réparties radialement autour d’une zone centrale dans laquelle sont installés les moyens de séchage. Ces moyens de séchage sont montés mobiles en rotation autour d’un axe X (autour duquel les lignes s’étendent radialement). Des moyens moteurs sont couplés aux moyens de séchage pour les entraîner en rotation d’une ligne à l’autre, afin de diffuser un courant d’air chaud successivement dans chaque ligne.
Grâce au procédé selon l’invention, les moyens de séchage opèrent une période de séchage Ta sur le matériau d’une des lignes tandis que le matériau de l’autre ligne ou des autres lignes est en cours de période passive Tp.
Selon une version optimisée, considérant que la relation (Tp + Ta)/Ta conduit à la détermination d’une valeur n, l’installation est conçu de façon à intégrer E(n) lignes de séchage.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé de séchage d’un matériau poreux visant un séchage à cœur du matériau, de type par intermittence, alternant périodes de séchage par courant d’air appliqué en surface du matériau et périodes passives sans séchage par courant d’air, caractérisé en ce que : - les périodes de séchage par courant d’air sont réalisées chacune pendant une période Ta coïncidant avec la période d’accessibilité initiale de séchage, - les périodes passives sont réalisées chacune pendant une période Tp au cours de laquelle le matériau présente un pourcentage d’humidité à cœur supérieur au pourcentage d’humidité en surface jusqu’à tendre vers un pourcentage d’humidité en surface égal au pourcentage d’humidité à cœur, et en ce que : 4 < Tp/Ta < 100 .
- 2. Procédé de séchage selon la revendication 1, caractérisé en ce que : 10 < Tp/Ta < 60
- 3. Procédé de séchage selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que Ta < 30 secondes
- 4. Procédé de séchage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Tp > 6 minutes
- 5. Procédé de séchage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que Ta et Tp sont liées par la fonction suivante : dans laquelle :k : est le coefficient de transfert convectif de la vapeur d’eau par courant d’air ; il dépend principalement du vecteur vitesse du courant d’air, k est exprimé en m/s. Ρη2ο : est la masse volumique de la vapeur d’eau, exprimée en kg/m3. pw : est la pression partielle de la vapeur d’eau à la température de la surface considérée, exprimée en Pa. aws : est l’activité de l’eau à la surface considérée. Elle est généralement distincte de l’activité de l’eau à l’humidité globale du matériau. Pt : est la pression totale de l’opération, exprimée en Pa. Pw,air est la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air interagissant avec la surface. Elle est généralement égale à pWiair * l'humidité relative HR et est exprimée en Pa. W : est la teneur en humidité (base sèche) du matériau, exprimée en g H2O/g base sèche. ps : est la masse volumique apparente de la matière sèche. Elle est exprimée en kg/m3. Deff : est la diffusivité globale effective de l’humidité au sein de la matière sèche, exprimée en m2/s.
- 6. Procédé de séchage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la période Ta est paramétrée par rapport à la quantité mv de vapeur prélevée de la surface par la fonction suivante : dans laquelle :S : est la surface effective d’échange entre le flux d’air et la matière. Elle est exprimée en m2.
- 7. Procédé de séchage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la période Ta est paramétrée par rapport à une épaisseur e de séchage homogène en surface par la fonction suivante :
- 8. Installation mettant en oeuvre le procédé de séchage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux lignes de séchage ayant en commun des moyens de séchage, opérant pendant une période de séchage Ta sur le matériau d’une des lignes tandis que le matériau de l’autre ligne est en cours de période passive Tp.
- 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la relation (Tp + Ta)/Ta conduit à la détermination d’une valeur n et ce que l’installation comprend E(n) lignes de séchage.
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