Cet article examine en profondeur les principes et les types de séchoirs industriels. Lisez plus loin et apprenez-en plus maintenant.
Présentation des séchoirs industriels et du processus de séchage
Un séchoir est une machine qui réduit la teneur en humidité des solides en vrac, des pièces fabriquées et d’autres matériaux de valeur. Il s’agit d’un système complexe composé d’une chambre de séchage, d’appareils de chauffage, d’équipements de manutention, d’équipements à convection forcée et autres.
Le séchage est une procédure essentielle de traitement des matériaux. Il peut être techniquement défini comme la vaporisation de l’humidité absorbée par les matériaux humides. Il s’agit d’un processus de transfert simultané de chaleur et de masse qui peut être accompli par plusieurs mécanismes. La chaleur est transférée au matériau, ce qui provoque la vaporisation de l’eau absorbée. L’eau évaporée est ensuite transférée et transportée par l’air ambiant ou le gaz inerte. L’humidité ou la teneur en humidité de l’air ambiant augmente après le processus. Le poids total du matériau diminue après le processus et le poids sans humidité est constant tout au long. Le séchage est effectué pour une ou plusieurs des raisons suivantes :
- Pour empêcher la croissance de bactéries, moisissures et autres microbes sur les produits alimentaires et pharmaceutiques.
- Pour empêcher les matériaux de rouiller et de se corroder.
- Améliorer ou maintenir les propriétés souhaitables d’un matériau.
- Rendre les matériaux aptes à un traitement ultérieur, au stockage, à la manutention et au transport.
- Pour améliorer la fonctionnalité, la convivialité et la valeur du produit.
Les séchoirs industriels sont largement utilisés dans l’alimentation, la pharmacie, l’agriculture, le sucre, les pâtes et papiers, les textiles, le bois, la métallurgie, la fabrication de métaux, etc.
Les séchoirs industriels se différencient en fonction de leur mécanisme d’élimination de la teneur en eau d’un matériau. Ils existent en différentes tailles et capacités : des séchoirs à petite échelle que l’on trouve dans les maisons et les laboratoires, qui aspirent quelques grammes d’humidité, aux séchoirs à échelle industrielle, qui traitent des tonnes d’aliments humides par heure. Par conséquent, il est essentiel de choisir un séchoir avec le type, la taille et les spécifications appropriés pour une application donnée. Différents séchoirs industriels peuvent avoir des effets variables sur le produit final et les propriétés des matériaux.
Catégories de transfert de chaleur des séchoirs industriels
Les équipements de séchage industriels peuvent être classés en fonction du mécanisme de transfert de chaleur. Les séchoirs peuvent être classés en séchoirs directs, séchoirs indirects et séchoirs radiants.
Séchoirs industriels directs
Les séchoirs directs transfèrent la chaleur au matériau par convection. Le fluide caloporteur est forcé d’avoir un contact direct avec le matériau à sécher. Un flux d’air chaud ou de gaz inerte sert de fluide caloporteur, qui est soufflé ou mis en circulation autour et à l’intérieur du matériau. Cet air chaud transporte et fournit de la chaleur latente pour vaporiser l’humidité absorbée. L’humidité évaporée est ensuite captée par l’air soufflé.
En raison de leur efficacité, les séchoirs industriels directs et continus sont la configuration de séchoirs la plus courante dans la pratique industrielle. Leurs efficacités de transfert de chaleur sont supérieures à celles des sécheurs indirects. Cependant, ils ont des coûts d’exploitation plus élevés et peuvent avoir des pertes d’énergie accrues.
Séchoirs industriels indirects
Les sécheurs indirects transfèrent la chaleur au matériau par conduction. Le fluide caloporteur est séparé du matériau par une cloison conductrice. Le matériau à sécher est contenu à l’intérieur d’une chambre de séchage et est chauffé à partir des parois de la chambre. La chaleur latente nécessaire pour vaporiser l’humidité absorbée est transférée à travers le mur. L’humidité évaporée est ensuite entraînée par l’air ambiant. L’air ambiant ou porteur requis par les sécheurs indirects est bien inférieur à celui des sécheurs directs.
Les séchoirs industriels indirects sont utilisés pour le séchage de produits sensibles, tels que les produits pharmaceutiques et les matériaux combustibles, car le débit d’air circulant dans le produit est relativement faible. Ces sécheurs évitent les risques de contamination pendant le processus. Ils sont également utilisés dans le séchage discontinu de volumes de production relativement faibles.
Sécheurs industriels radiants
Les séchoirs à rayonnement transfèrent la chaleur en émettant directement des ondes électromagnétiques sur le matériau à sécher. Ces ondes électromagnétiques transportent de l’énergie thermique ou de la chaleur et pénètrent profondément dans le matériau. La chaleur absorbée par la chaleur du matériau est transmise à l’humidité, ce qui la fait s’évaporer et se combine avec l’air ambiant. Peu de chaleur est perdue dans l’air ambiant. Cela rend le processus de séchage sans contact et à faible risque de contamination. Comme les séchoirs indirects, les séchoirs radiants ne nécessitent pas un grand débit d’air et peuvent n’avoir besoin que d’un petit ventilateur. De plus, les séchoirs à rayonnement sont plus propres et plus écologiques que les séchoirs à convection et à conduction.
Les séchoirs industriels radiants sont couramment utilisés dans les adhésifs, les peintures et les revêtements sur les surfaces des pièces.
Les types de séchoirs radiants sont les suivants :
Sécheurs à micro-ondes
Les séchoirs à micro-ondes utilisent des ondes électromagnétiques qui tombent dans la région des micro-ondes (300 MHz à 300 GHz). Le rayonnement micro-ondes peut pénétrer au-delà de la surface du matériau. Par conséquent, ces séchoirs sont utilisés pour sécher le matériau de l’intérieur (c’est-à-dire le séchage volumétrique). L’humidité ou le solvant s’évapore des pores du matériau. Les séchoirs à micro-ondes sont utilisés pour traiter les produits alimentaires et agricoles.
Sécheurs infrarouges
Les sécheurs infrarouges utilisent des ondes électromagnétiques qui tombent dans la région infrarouge (300 GHz à 400 THz). Cette région se situe juste en dessous du spectre de la lumière visible. Ces séchoirs émettent de l’énergie pour chauffer la surface externe du matériau, et la chaleur est conduite de la surface externe vers la partie interne du matériau. Les séchoirs infrarouges sont généralement équipés d’un équipement à convection forcée pour augmenter l’efficacité.
Méthodes de fonctionnement des séchoirs industriels
Un sécheur industriel peut fonctionner en mode discontinu ou continu.
Types de séchoirs discontinus
Les séchoirs discontinus traitent un volume fixe de matériau à une durée de séchage particulière. Un nombre ou une quantité fixe de matériaux est placé dans la chambre de séchage ; cette quantité est limitée par la capacité de rétention du séchoir. Les matériaux séchés sont déchargés de la chambre et le séchage du lot suivant de matériaux peut être effectué. Les séchoirs discontinus sont utilisés dans des volumes de production relativement faibles.
Les types de séchoirs discontinus sont les séchoirs à plateaux, les séchoirs sous vide, les lyophilisateurs et les séchoirs à bacs.
Séchoirs à plateaux
Les séchoirs à plateaux se composent de plusieurs plateaux, qui contiennent les matériaux à sécher, empilés à l’intérieur de la chambre de séchage. L’air est utilisé comme moyen de transfert de chaleur qui est forcé de se déplacer à l’intérieur de la chambre. Les soufflantes facilitent la circulation de l’air. L’air acquiert de l’énergie thermique lorsqu’il entre en contact avec les serpentins de chauffage. L’air chauffé est soufflé sur le matériau, provoquant la diffusion et la vaporisation de l’humidité. Une partie de l’air porteur d’humidité sort par le conduit de ventilation, tandis que le reste est recyclé dans la chambre avec un flux d’air frais et sec. La température et la vitesse de l’air peuvent être ajustées en fonction d’un produit donné et des exigences opérationnelles.
Les séchoirs à plateaux sont le type le plus simple de séchoirs industriels ; ils ont des coûts initiaux peu coûteux et consomment moins d’espace. Ils sont faciles à utiliser et à entretenir. Cependant, le temps de séchage est généralement long. Ils peuvent ne pas convenir aux solides en poudre.
Sécheurs sous vide
Les sécheurs sous vide fonctionnent à une faible pression de vide pour accélérer la vaporisation de l’humidité ou du solvant absorbé par le matériau. La diminution de la pression de fonctionnement abaisse le point d’ébullition du liquide absorbé ; par conséquent, ces séchoirs fonctionnent à une température plus basse que les autres séchoirs industriels.
Les matières à sécher sont chargées dans des plateaux. Le sécheur est équipé d’une pompe à vide pour réduire la pression à l’intérieur de la chambre. La chaleur est transférée des parois de la chambre au matériau par conduction ou rayonnement. Certains séchoirs à vide ont une chemise à vapeur. La pompe à vide aspire la vapeur ; le solvant vaporisé peut être récupéré par condensation et réutilisé si nécessaire.
Les sécheurs sous vide sont utilisés pour les produits sensibles à la chaleur, hygroscopiques, combustibles et granulaires. Ils sont utilisés dans les produits alimentaires et pharmaceutiques pour empêcher les nutriments de se dégrader à des températures élevées. Ils éliminent efficacement de grandes quantités d’humidité et ont des temps de séchage rapides.
Lyophilisateurs
La lyophilisation ou lyophilisation consiste à congeler le matériau à sécher et à le soumettre à une pression de vide. Il est utilisé pour les produits qui se dégradent ou changent radicalement à des températures élevées. Il préserve l’activité biologique et les propriétés chimiques du matériau. Il est utilisé dans les produits alimentaires et pharmaceutiques pour préserver leur teneur en nutriments et leurs principes actifs. Il est également utilisé dans les échantillons biologiques tels que le sang, les tissus et les protéines. Cependant, la lyophilisation prend beaucoup de temps.
Les lyophilisateurs sous vide se composent d’un équipement de réfrigération, d’une chambre de séchage, de plateaux de maintien et d’une pompe à vide. L’échantillon est d’abord congelé à au moins sa température de fusion pour convertir l’humidité et le solvant à l’intérieur du matériau en une phase solide. La pompe à vide est alors activée pour diminuer la pression à l’intérieur de la chambre. Le transfert de chaleur sous basse pression provoque la transformation de l’humidité ou du solvant solidifié en vapeur. La pompe à vide aspire la vapeur sublimée du matériau. Le lyophilisateur continuera de fonctionner pour chasser l’humidité ou le solvant lié au matériau.
Séchoirs à bacs
Les séchoirs à bacs sont constitués d’un réservoir ou d’un bac de rétention avec une plaque perforée à son fond. Un ventilateur souffle de l’air ambiant ou préchauffé à travers la plaque perforée verticalement vers le haut. L’air entoure le matériau humide, le faisant sécher. Le matériel peut être disposé sur des étagères, avec le matériel le plus humide au fond. L’air porteur d’humidité sort par le haut du bac. Les séchoirs à bacs sont utilisés pour sécher les produits agricoles et forestiers tels que le bois, les fruits, les légumes, les céréales, le bambou et autres. Cependant, les séchoirs à bacs peuvent ne pas disposer de commandes de séchage et être utilisés comme préséchoir.
Types de sécheurs continus
Les sécheurs continus permettent un flux continu et ininterrompu de matériaux tout au long de leur fonctionnement. Les matériaux humides sont continuellement alimentés et transportés à travers la chambre de séchage. Au fur et à mesure que le matériau traverse la chambre, il perd sa teneur en humidité. Les produits séchés peuvent être collectés par un réservoir tampon ou directement acheminés vers l’équipement suivant. Les séchoirs continus sont utilisés si une grande quantité de produits doit être séchée.
Les types de sécheurs continus sont les sécheurs tunnel, les sécheurs rotatifs, les sécheurs à lit fluidisé, les sécheurs sous vide agités, les sécheurs par pulvérisation, les sécheurs flash, les sécheurs à tambour et les sécheurs à disques.
Sécheurs tunnels
Dans les tunnels de séchage, les matières à sécher sont chargées dans des plateaux fixés à un chariot. Les chariots entrent d’un coup et se déplacent lentement dans le tunnel de séchage, dans lequel un courant d’air chaud ou de gaz est soufflé. Le matériau sèche au fur et à mesure qu’il se déplace dans le tunnel. Les plateaux peuvent se déplacer dans l’une des directions suivantes avec le flux d’air :
Configuration simultanée Le mouvement du matériau et le flux d’air sont dans la même direction parallèle. Cette configuration est la moins efficace.
Configuration à contre-courant Le mouvement du matériau et le flux d’air sont dans des directions parallèles opposées. C’est la configuration la plus efficace car le gradient de température à travers la chambre est plus uniforme – l’air le plus chaud et le plus sec entre en contact avec les matériaux à la teneur en humidité la plus élevée.
Configuration à flux croisés Le flux d’air est perpendiculaire au mouvement du matériau, maximisant ainsi le contact. Le sécheur convoyeur à tamis est un type de sécheur tunnel qui utilise cette configuration. Les matériaux sont placés dans un écran perforé à travers lequel de l’air chaud est soufflé verticalement. L’humidité est éliminée des matériaux lors de leur passage dans le tunnel.
Les réglages des zones de chauffage et la vitesse du chariot peuvent être optimisés en fonction du type et de la quantité de matériaux chargés et de la teneur finale en humidité ou en solvant.
Les séchoirs à tunnel sont considérés comme une amélioration des séchoirs à plateaux. Les matériaux entrent et sortent en continu tout au long de leur fonctionnement. Le matériau est stable sur le chariot lorsqu’il traverse le tunnel. Par conséquent, ces séchoirs conviennent aux produits sensibles aux dommages ou à la déformation, tels que les composants automobiles, les pièces électroniques, les matériaux de construction, les matériaux en verre et les gros fruits, légumes et produits alimentaires. Les séchoirs à tunnel sont efficaces sur le plan opérationnel dans le traitement des matériaux nécessitant de longs temps de séchage.
Séchoirs rotatifs
Les séchoirs rotatifs sont constitués d’un cylindre métallique légèrement incliné avec des vols internes. Le matériau est alimenté par l’extrémité supérieure du cylindre. Le cylindre tourne lentement pour soulever et cascader le produit. L’air ou le gaz chaud pénètre dans une direction concurrente ou à contre-courant avec le matériau. L’agitation causée par la rotation et l’action de culbutage interne entraîne un séchage rapide et uniforme. Le produit est collecté à l’extrémité inférieure du cylindre.
Les séchoirs rotatifs peuvent être classés comme à chauffage direct ou à chauffage indirect. Dans les séchoirs rotatifs à chauffage direct, le gaz chaud entre directement en contact avec le matériau à l’intérieur du cylindre. De l’air à haute température peut être utilisé pour rôtir des produits alimentaires. Dans les séchoirs rotatifs à chauffage indirect, la chaleur est conduite des parois du cylindre au matériau à sécher.
Les séchoirs rotatifs conviennent au séchage de matériaux granulaires et non collants. Ils sont couramment utilisés dans le séchage des produits issus d’un processus de cristallisation. Ils conviennent au séchage des sels, des minéraux, des céréales, des noix et des aliments pour animaux.
Sécheurs à lit fluidisé
Dans les séchoirs à lit fluidisé, le matériau humide est acheminé vers une cuve par un alimentateur à vis. Un flux d’air préchauffé s’écoule du fond du récipient pour maintenir les particules en suspension ou fluidisées. Ce flux s’écoule perpendiculairement à la direction de déplacement des matériaux. Un courant d’air horizontal peut être fourni pour faciliter le transport des particules. Le contact étendu des particules et de l’air entraîne un processus de séchage plus rapide. L’air porteur d’humidité sort en haut de la cuve. Les particules entraînées par ce flux sont séparées par un séparateur à cyclone ou un filtre à manches. Les produits séchés sont collectés en un point inférieur à l’entrée de matière.
Dans les séchoirs à lit fluidisé vibrant, des vibrations sont ajoutées pour améliorer la fluidisation des particules de grande taille et des aliments collants et lents.
Les séchoirs à lit fluidisé sont utilisés dans les produits en poudre et granulés tels que les grains et les céréales. Certains sécheurs à lit fluidisé sont conçus et configurés pour permettre le séchage discontinu.
Sécheurs sous vide agités
Les sécheurs sous vide agités consistent en une cuve à double enveloppe avec un agitateur. Le navire fonctionne à basse pression et à température modérée. L’agitateur brasse le matériau afin d’augmenter la vitesse de séchage et d’assurer une répartition uniforme de la chaleur. La pompe à vide aspire la vapeur. Un filtre cyclone empêche les particules d’être combinées avec le condensat.
Les sécheurs sous vide à agitateur sont également utilisés pour le séchage de produits sensibles à la chaleur et à l’air. Ils sont généralement placés à côté des équipements de filtration.
Sécheurs par pulvérisation
Le séchage par pulvérisation est un processus rapide et efficace de transformation directe d’une bouillie, d’une suspension ou d’une pâte en poudre fine séchée. L’alimentation contient généralement une grande quantité d’humidité et doit être transportable par une pompe. Il est utilisé pour produire des savons, des détergents, du lait, du café, du thé, des sels, des résines polymères, des arômes, des extraits, des produits pharmaceutiques et autres.
Le séchage par atomisation comprend les étapes suivantes :
Atomisation
C’est le processus de conversion de l’aliment en un brouillard de fines gouttelettes pour assurer un séchage rapide. L’alimentation est pompée en continu vers un atomiseur installé au-dessus de la chambre de séchage. Il existe plusieurs techniques d’atomisation de l’aliment :
Le forcer dans l’orifice d’une buse
Le mélanger avec un gaz comprimé
Le faire passer à travers un disque rotatif accéléré par centrifugation
Séchage
Un courant de gaz chaud est introduit soit en haut soit en bas de la cuve de séchage. Le gaz de séchage des solides en solution aqueuse est l’air. L’azote gazeux est utilisé pour les solvants organiques ou inflammables. L’humidité ou le solvant est éliminé lorsque la charge atomisée est dispersée sur le gaz. Le diamètre du récipient de séchage est grand pour empêcher les particules de coller sur les parois du récipient. Les particules se déposent au fond conique du récipient.
Le séchage s’effectue en quelques secondes seulement. Par conséquent, les sécheurs par pulvérisation sont utilisés pour sécher des produits thermosensibles qui se dégradent lorsqu’ils sont exposés pendant une durée substantielle.
Séparation et collecte des produits
Un séparateur à cyclone et un filtre séparent les particules du gaz de séchage.
Sécheurs flash
Les sécheurs flash déshydratent les matériaux granulaires humides en les transportant à travers un conduit de séchage. Un flux de gaz chaud à grande vitesse circule dans le conduit qui maintient les particules en suspension. La chaleur du flux de gaz élimine l’humidité ou le solvant du produit. Après passage dans le conduit, les particules sont séparées du flux gazeux par un cyclone et un filtre à manches. Une partie des gaz d’échappement est recyclée dans le conduit afin d’augmenter l’efficacité énergétique. Les sécheurs flash sont utilisés pour sécher les minéraux, les sels, les amidons, les colorants et autres produits granulaires.
Séchoirs à tambour
Les sécheurs à tambour ou à rouleaux déshydratent l’alimentation liquide afin de produire des poudres, des flocons ou des matériaux granulaires. Ils se composent d’un ou deux tambours chauffés intérieurement qui tournent autour de leur axe. La vapeur circule à l’intérieur du tambour et la chaleur est conduite à travers les parois. L’alimentation est pulvérisée sur la surface du tambour rotatif ou entre les deux tambours rotatifs. Une fine pellicule de nourriture liquide colle et sèche sur la surface chaude. Les taux d’humidité initial et final du produit déterminent son temps de séjour à la surface du tambour. Un racloir enlève les particules séchées une fois que la teneur en humidité désirée est atteinte.
Dans les séchoirs à tambour sous vide, les tambours sont placés dans une chambre sous vide. La basse pression à l’intérieur de la chambre diminue le point d’ébullition de l’humidité ou du solvant, l’amenant à s’évaporer à une température plus basse. Par conséquent, les séchoirs à tambour sous vide conviennent au séchage de produits sensibles à la chaleur.
Sécheurs à disques
Les sécheurs à disques se composent de plusieurs disques verticaux montés sur un arbre, qui sont tous contenus dans un cylindre horizontal. L’arbre est chauffé intérieurement par de la vapeur ou de l’huile chaude; la chaleur est conduite de l’arbre aux disques montés. Les disques fournissent la zone de séchage indirect. L’alimentation humide sous forme de lisier ou de boue entre d’un côté du cylindre. L’humidité ou le solvant de l’alimentation s’évapore lorsqu’il touche les disques. Les matériaux sont transportés axialement à travers le cylindre. Des racleurs sont installés à l’intérieur du cylindre pour assurer un mélange uniforme et empêcher les matériaux de coller sur les disques. Enfin, les produits sont collectés au fond de l’autre extrémité du cylindre.
