Traitement des solides pour la température

Jul 18, 2023

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

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

Les fabricants des industries chimique, alimentaire, minérale et autres évaluent continuellement 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 procédé industriel est unique; Les fabricants ne sont assurés des performances optimales qu’après un processus de développement minutieux qui comprend l’évaluation des matériaux, les essais par lots, les essais à l’échelle pilote et l’évaluation commerciale. Deux approches de séchage des matériaux sensibles à la température optimisent la qualité des processus et des produits pour une variété de matériaux, y compris les polymères, les engrais, les amidons, les farines et les levures (également pour les suppléments pour 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 de fournir de la chaleur, ce qui entraîne l’évaporation du liquide. Deux types de technologies de séchage - séchage direct et séchage indirect - peuvent être appliquées pour le traitement sensible à la température (voir la figure 1).

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

Les procédés thermiques directs ou convectifs (figure 2) mélangent généralement du gaz chauffé ou ambiant (p. ex. air ou 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 fluide caloporteur, 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, compte tenu de 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 ainsi la dégradation des matériaux sensibles à la température.

Les procédés de séchage indirect ou conducteur 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 l’uniformité du chauffage et assurer le transport, les systèmes indirects utilisent une agitation mécanique pour déplacer le matériau traité à travers 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 manutention des matériaux et augmente la valeur du produit final.

Figure 2 : Concepts thermiques directs et indirects

Bien que plusieurs types de sécheurs puissent effectuer la tâche, deux en particulier sont idéaux pour sécher des matériaux sensibles à la chaleur: les sécheurs flash mécaniques et les sécheurs à palettes à couche mince. Les exigences pour chaque application individuelle, ainsi que les formulaires 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 obtenir les meilleurs résultats).

Les sécheurs flash sont basés sur la technologie thermique directe et sont conçus pour sécher des matériaux sensibles à la température à forte humidité sous des formes difficiles à manipuler, telles que des gâteaux humides / filtreurs, des pâtes et des boues (voir Figure 3). Les sécheurs flash traditionnels sont des sécheurs par atomisation 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 atomisation ou aux sécheurs annulaires. Les sécheurs-atomiseurs ne produisent généralement que des poudres fines, tandis que les sécheurs à anneau produisent généralement des granulés plus gros et nécessitent des étapes de broyage supplémentaires pour produire une poudre. Un sécheur clignotant mécanique peut produire une poudre finement broyée (~ 5 μm) ou un granulé plus gros (généralement jusqu’à 1-2 mm).

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

Le mélange intense du séchoir augmente la surface du produit pour assurer une évaporation rapide pour une efficacité de séchage élevée. Le sécheur flash mécanique utilise des flux 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 de gaz chauffé. Compte tenu de sa dispersion sous forme de couche mince, le sécheur flash mécanique nécessite généralement un encombrement inférieur à celui des sécheurs annulaires et par atomisation.

Le temps de séjour des matériaux à l’intérieur du séchoir lui-même est court, en moyenne de deux à trois secondes. Une fois déchargé du séchoir, le matériau est transporté pneumatiquement vers des composants de séparation, généralement un cyclone suivi d’un réservoir à manches. Pendant la période de transport, l’air chargé d’humidité assure le 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 au temps et à la température. 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 instantané.

Les sécheurs flash mécaniques peuvent également broyer et sécher simultanément des gâteaux de filtration, des boues ou des solutions, ce qui génère un matériau en poudre utilisable directement à partir du séchoir 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-atomiseurs et aux sécheurs annulaires non mécaniques, réduisant à la fois le coût total de possession et les coûts d’installation sans sacrifier la qualité du produit.

Les sécheurs à palettes à couche mince (voir la figure 4) sont basés sur la technologie thermique indirecte, qui repose sur l’énergie thermique atteignant le produit à travers des 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 plusieurs 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 boues, des pâtes, des gâteaux de centrifugeuses, des gâteaux de filtration et des solides à écoulement libre.

Figure 4 : Un sécheur à palettes 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 la vapeur ou les fluides caloporteurs liquides. Un rotor à l’intérieur du récipient cylindrique chauffé fonctionne à des vitesses d’extrémité élevées (5-25 m / seconde), ce qui force le matériau dans une couche mince le long de la paroi du récipient cylindrique chauffé. Cela fournit le chauffage conducteur pour effectuer l’évaporation. La veste creuse du mur constitue toute la surface de transfert de chaleur. Un flux de gaz chauffé (souvent inerte) écoule généralement à contre-courant sur le flux de matière, ramassant l’humidité évaporée et la transportant vers un condenseur pour la collecte. Étant 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 besoins en services publics d’exploitation plus faibles.

Le rotor est constitué de palettes installées le long d’un arbre rotatif. L’angle de chaque pagaie peut être ajusté pour contrôler la vitesse de transport et le temps de séjour du matériau. À ne pas confondre avec un séchoir à palettes de lit, les palettes d’un séchoir à palettes 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 à partir d’un port situé 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 humide des gâteaux et sont plus efficaces que les sécheurs flash. Leurs palettes à grande vitesse brisent les grumeaux et les agglomérats lâches pour un traitement thermique uniforme.

De multiples 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 temps de séjour court 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 de leur contrôle strict de l’exposition au temps et à la température. Selon la nature du produit à traiter, plusieurs autres types de séchoirs sont également disponibles. Les sécheurs classés comme dispersés dilués ou à couche mince comprennent les sécheurs par contact à couche mince, les sécheurs par atomisation, les sécheurs à tambour, les sécheurs flash et les sécheurs rotatifs à gaine de vapeur.

La conception optimale de la sécheuse devrait offrir 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 de la sécheuse utilise un long temps d’exposition, la température de la source de chaleur doit être maintenue basse. D’autre part, les sécheurs 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 sécheuses 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 palettes 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 de l’exposition temps-température, la conception du sécheur devrait maximiser l’efficacité du transfert de masse par évaporation. Une méthode pour obtenir cet effet consiste à fournir un contact intime entre les particules discrètes séchées avec le flux d’air (ou de gaz inerte). Le contact individuel des particules avec le flux d’air permet une bonne capacité de strippage de l’humidité, en augmentant la force motrice de 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 atomisation et le sécheur à palettes à couche mince fonctionnent tous avec des degrés élevés de contact discret particule-air.

3. Gradients de température et répartition du temps de résidence

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 du produit dans le séchoir assurera une qualité uniforme du produit.

Les conceptions de sécheurs dans lesquelles le matériau du produit est chauffé sous forme de dispersion diluée ou de film mince dans des conditions d’écoulement de bouchon satisferont à ces critères. Les séchoirs dans lesquels le matériau du produit est sous forme de masse apparente peuvent être plus sujets aux gradients de température et/ou aux effets de répartition du temps de séjour.

L’efficacité thermique d’un sécheur flash est fonction de sa température de gaz de sortie et de sa température delta (différence de température de gaz d’entrée/sortie), qui établit le débit de gaz requis pour le bilan thermique. Plus la température de sortie de gaz est basse, plus l’efficacité thermique est élevée. Plus l’écart de température du gaz devient grand, plus le débit de gaz est faible et plus l’efficacité thermique est grande.

La teneur maximale en humidité admissible dans le produit rejeté impose normalement une limite inférieure à la température du gaz de sortie du sécheur flash. La sensibilité à la température du matériau du produit définit 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 fonction thermique du sécheur flash 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 son 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 de bilan thermique. Le débit de gaz réduit fait chuter la charge de chauffage du sécheur de l’ordre 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 des exigences en matière de processus, d’usine et d’investissement permettra d’identifier la technologie qui correspond le mieux aux spécifications.

Qu’il s’agisse de partir de zéro, de chercher à intégrer une nouvelle étape de processus dans un système existant ou d’optimiser leur fonctionnement actuel, les fabricants peuvent effectuer une ou toutes les étapes suivantes avec leur partenaire de traitement des solides pour répondre à leurs exigences en matière de matériaux :

* Tests au banc : Examiner un petit échantillon de matériel 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 essais 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 de processus personnalisé : Produire des échantillons de produits dans un processus continu d’évaluation du marché

Une évaluation minutieuse à l’aide de technologies éprouvées par 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 de plus amples renseignements, composez le 612-331-4370 ou visitez www.bepex.com.

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