Polyvalence du séchage des matériaux en vrac

Jul 15, 2023

Jess Elliott | 30 mars 2023

Le séchage des matériaux en vrac est une étape critique dans les industries de transformation. Les applications peuvent aller du séchage des produits alimentaires à la préparation d’ingrédients pharmaceutiques actifs, en passant par la production de matières premières pour les batteries Li. La nécessité de sécher rapidement les matériaux dans des conditions contrôlées, sans dommages 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 maintenant 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 produire un produit solide. La teneur en humidité ou en solvants 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 que simplement énoncée, la pratique consistant à éliminer l’humidité des produits présente de nombreux défis. Il faut veiller à 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 opération de précipitation ou de cristallisation avant le comprimé ou le remplissage ou les opérations de mélange ultérieures.

Les avantages du séchage comprennent 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 boue 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 résiduelle.

Configuration de la drey pulvérisée

- La lyophilisation (lyophilisation) : consiste à congeler et à sécher 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 produite, suivie d’un séchage par sublimation à l’eau ou à l’humidité, et se termine par un séchage secondaire par chauffage. (Perry’s 9th Edition)

- Séchoirs au four ou à plateaux : Produit chauffant par convection dans une chambre pour volatiser l’humidité à température constante permettant au liquide de s’évaporer. Les séchoirs de 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 sécheurs de four sont très doux dans le traitement du produit, mais sont sensibles à de longs temps de traitement.

Figure 3 : Séchoir à plateau du four

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

Illustration du sécheur à micro-ondes

- Séchoirs coniques (agités): Largement utilisés dans les industries des batteries, des aliments pharmaceutiques, des nutraceutiques et des produits chimiques, le matériau est placé dans une bouilloire équipée d’un agitateur hélicoïdal. Au fur et à mesure que le matériau est agité, ce qui favorise le renouvellement de la surface, de la chaleur indirecte et du vide sont appliqués sur la bouilloire. La chaleur transférée dans le matériau convertit le liquide en vapeur. Le vide est appliqué sur la bouilloire pour réduire la température d’ébullition de l’humidité ou du solvant facilitant un séchage efficace du produit à température d’ébullition réduite de la phase liquide.

Il existe de nombreuses autres configurations de sécheuses telles que les sécheurs tunnel, tambour rotatif, culbutage, film tombant et sécheurs à bande. Ceux-ci ne sont pas discutés ici mais sont également largement pratiqués dans l’industrie. (Perry’s 9th Edition)

Séchoirs coniques (agités); 2 l et 100 l

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 mis à l’échelle de manière fiable de l’équipement de paillasse à l’échelle commerciale, de 2 à plus de 4 000 l.

La théorie derrière les séchoirs 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 gainé et une lame d’agitateur. Le vide est fourni par une pompe ou un système à vide externe permettant le chauffage et le séchage 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 « le mélange et le 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 pour aliments des animaux, y compris les gâteaux solides humides, les boues ou les pâtes, et les liquides.

Séchage par contact et évaporation dans un séchoir conique à l’aide de la chaleur et du vide

Illustration d’un système de séchage conique

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

- Fluide libre

- Fluide adhésif sur la surface des particules solides

- Fluide libre à l’intérieur des macro et micro capillaires (écoulement du 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 évacués des sécheurs par atomisation ou des 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 matières actives 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 de contenu, la courbe de pression de vapeur de l’humidité, les caractéristiques du gâteau ou des solides (porosité, homogénéité, propriétés hygroscopiques), la qualité cible finale et les caractéristiques du produit sont tous très importants.

Sécheur et agitateur de balance de laboratoire

Il est important de souligner que les fabricants de sécheurs disposent souvent d’installations d’essai ou d’instruments d’essai où les applications peuvent être évaluées avant la commercialisation ou le détartrage. Souvent, le développement dans un séchoir de banc ou à l’échelle pilote est extrêmement utile. Une courbe de séchage peut être préparée pour le produit en évaluant le pourcentage d’humidité (initiale et finale) en fonction du temps par rapport aux différentes 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 en fonction de la température, de la pression et de 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 au cours de 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 à la surface des solides et où l’évaporation est relativement constante à mesure que la teneur en humidité diminue.

3) Période de vitesse descendante où la migration de l’humidité des interstices internes de chaque particule vers la surface extérieure devient le facteur limitant de la vitesse de séchage.

En plus des aspects ci-dessus, l’utilisateur doit également tenir compte des équipements périphériques ou de support pour l’installation de sécheurs, 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 agités coniques - sont largement utilisés dans les industries chimique, énergétique, pharmaceutique et des procédés alimentaires sur de nombreux marchés. Une attention particulière 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 de plus amples renseignements, composez le 910-452-7059 ou visitez www.ikaprocess.com/en.

1. Perry’s Chemical Engineering Handbook, 9e édition2. IKA Works Inc., Staufen, Allemagne3. Processheating.com

Plus d’informations sur les formats de texte

Consultez le répertoire Powder & Bulk Solids Industry Master.