Détermination de la cinétique de sorption des particules de gel de silice à partir des mesures d humidité relative

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1 Détermination de la cinétique de sorption des particules de gel de silice à partir des mesures d humidité relative I. Mtimet, L. Zili-Ghedira, Sassi Ben Nasrallah To cite this version: I. Mtimet, L. Zili-Ghedira, Sassi Ben Nasrallah. Détermination de la cinétique de sorption des particules de gel de silice à partir des mesures d humidité relative. Jean-Jacques BEZIAN. JITH 27, Aug 27, Albi, France. ENSTIMAC, 5p., 27, ISBN <hal > HAL Id: hal Submitted on 29 Aug 27 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

2 DETERMINATION DE LA CINETIQUE DE SORPTION DES PARTICULES DE GEL DE SILICE A PARTIR DES MESURES D HUMIDITE RELATIVE I. MTIMET a, L. ZILI-GHEDIRA A, S. BEN NASRALLAH B a LESTE, Ecole Nationale d'ingénieurs de Monastir, 5 MONASTIR - TUNISIE b Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l Energie, Technopole de Borj Cédria TUNISIE Résumé : Une méthode basée sur des mesures d humidité relative (Hr) pour la détermination de la cinétique de sorption par passage d air (T amb ) à travers un lit fixe de gel de silice est proposée. La procédure consiste à suivre en continu l évolution de l humidité relative à l entrée et à la sortie du lit ( Hr). L intégrale sous la courbe de Hr = f(t) est proportionnelle à la quantité d eau cédée ou captée par le lit au cours du phénomène de sorption. La normalisation de cette intégrale (MN*) couplée à la connaissance des masses initiale (m ) et finale (m ) des cartouches de gel de silice permet ainsi d établir la cinétique de sorption sans interrompre l adsorption ou la désorption. La méthode a été validée à partir d une série de mesures obtenues en interrompant le processus. Par rapport à la méthode discontinue cette méthode présente évidement l avantage de ne nécessiter qu un petit nombre d expérience. Mots clés : cinétique de sorption, humidité relative, gel de silice, adsorption/désorption. 1. INTRODUCTION L étude du phénomène de sorption consiste le plus souvent à suivre l évolution de la masse du produit en fonction du temps ainsi qu en fonction des paramètres du procédé tels que le type de dispositif expérimental, la température, la vitesse de l air, la géométrie des particules, etc Quand ces paramètres le permettent, l évolution de la masse des échantillons peut s obtenir de manière continue et sans interruption. Cependant, dans une proportion significative des travaux concernant le mécanisme de séchage alimentaire et pour ne pas perturber les moyens de pesée, il est nécessaire soit d interrompre la procédure de manière répétitive soit d extraire un ou plusieurs échantillons afin de connaître la masse au cours du temps [1-4]. Dans certains cas, le dispositif expérimental lui-même peut ne pas être adapté à des mesures interrompues de la masse des échantillons. En effet, des solutions techniques exigées par la construction au profit de quelques fonctionnalités, rendent les mesures discontinues plus difficiles à réaliser [5]. D autre part, établir une cinétique de sorption de manière discontinue nécessite beaucoup plus d essais (le nombre de points de mesures multiplié par le nombre de répétitions) en comparaison avec une méthode de mesure continue. La méthode proposée consiste à déterminer la cinétique de sorption d un lit fixe de particules sans avoir à interrompre les essais, en se basant sur des mesures en continu de l humidité relative à l entrée et à la sortie de l unité de sorption. Une série de mesures discontinues de la masse des échantillons a été réalisée pour valider la méthode adoptée. 2. MATERIELS ET METHODES 2.1 Dispositif expérimental Les essais ont été effectués dans une unité expérimentale de laboratoire permettant à la fois d exécuter les deux phases d adsorption et de désorption. Un schéma détaillé de cette unité est présenté sur la figure 1. Cette installation est constituée par un ventilateur, un Albi, France du 28 au 3 Août 27 1

3 variateur de vitesse, de résistances chauffantes, une chambre de tranquillisation et un cylindre rempli de gel de silice. Figure 1 : Schéma de l installation 2.2 Instruments de mesure Pour mesurer la température, l humidité et la vitesse on a utilisé un portatif de mesure «VT 3» composé de : Sondes d'hygrométrie Ø 13 mm, lg. 11 mm. Humidité : 3 à 98%HR, température : -2 à +8 C. Résolution :,1%HR. Sondes fil chaud o Sonde fil chaud Ø 8 mm, lg. 3 mm Vitesse :, à 3 m/s, température : -2 à +8 C. Résolution :,1 m/s de à 3 m/s et,1 au delà. o Sonde fil chaud télescopique Ø 1 mm, lg. 9 mm Vitesse :, à 3 m/s, température : -2 à +8 C. Résolution :,1 m/s de à 3 m/s et,1 au delà. Méthode d analyse des résultats Les mesures simultanées de l humidité relative à l entrée et à la sortie (Hre et Hrs) sont tout d abord utilisées pour obtenir l évolution de la différence entre ces deux valeurs en fonction du temps : Hr = Hrs - Hre = f(t) (1) L intégrale sous la courbe de cette évolution est ensuite obtenue et tracée en fonction du temps à partir de l équation suivante : Hr t). dt = (.5.( Hr + Hr ).( t t )) (2) ( 1 I Hr = i i 1 i i Dans cette équation les indices (i) et (i-1) correspondent aux deux mesures successives aux temps t i et t i-1. I Hr est en fait une fonction cumulative sur toute la durée du sorption. Sachant que Hr correspond à la quantité d eau cédée ou gagné par les particules, l intégrale I Hr est proportionnelle à la perte ou le gain en eau du lit. La normalisation de cette intégrale peut donc être assimilée à la masse normalisée des particules : I Hr I Hr m m MN* = = (3) I Hr m m Connaissant les masses initiales (m ) et finales (m ) des échantillons, la cinétique de sorption peut être ainsi déduite de l équation (3) comme suit : m ( t) = ( m m ). MN * + m (4) L écart relatif moyen (E%) entre N-mesures discontinues (m disc,i ) et continues (m cont,i ) est défini par [4] : N 1 mdisc, i mcont, i E% =. (5) N m i= 1 disc, i Albi, France du 28 au 3 Août 27 2

4 3. RESULTATS ET DISCUSSION Le cylindre utilisé est en fer, de 2cm de diamètre est de longueur 1cm. Ce cylindre est ouvert à son extrémité supérieure. Une plaque perforée est placée à l extrémité inférieure du cylindre. Cette plaque permet de supporter le milieu granulaire. Les caractéristiques de l air sont les suivantes : Debit (m 3 /h) Te( C) Hre(%) Phase d adsorption Phase de désorption Tableau1 : Caractéristique de l air de processus Les figures 2-a, 2-b, 3-a et 3-b représentent l évolution de Hr et de la différence Hr au cours de phénomène de sorption. Sachant que l unité de sorption est hermétique, la différence Hr détectée est uniquement due à l eau cédée par le produit pendant la phase de désorption et gagné pour la phase d adsorption Hrs(%) Hrs-Hre(%) Figure2-a : Evolution de l humidité relatif %Hr Figure2-b : Evolution de l humidité relatif Hr Hrs(%) 2 HrsHre(%) Figure3-a : Evolution de l humidité Figure3-b : Evolution de l humidité relatif %Hr relatif Hr Les figures 4-a, 4-b, 5-a et 5-b donnent l intégrale I Hr en fonction du temps et sa forme normalisée MN*. On retrouve ainsi une cinétique de sorption classique. Albi, France du 28 au 3 Août 27 3

5 I (Hrs-Hre) MN* Figure4-a : Intégrale sous la courbe Hr=f(t) Figure4-b : La forme normalisée I (Hrs-Hre) -4 MN* Figure5-a : Intégrale sous la courbe Hr=f(t) Figure5-b : La forme normalisée La forme normalisée est ensuite utilisée pour retracer l évolution de la masse du lit de particules ; comme l indique les figures 6 et 7, ces évolutions de masse coïncide tout à fait avec les évolutions observée à partir des expériences discontinues basées sur la mesure de la masse de l échantillon pour les deux phases (avec un écart relatif moyen d environ.6% pour la phase de désorption et un écart de.3% pour la phase d adsorption) m(g) Figure6 : Cinétique de désorption de gel de silice en fonction du temps ; (-) mesures en continue sur %Hr, ( ) mesures discontinues basées sur les masses réelles des échantillons m(g) Figure7 : Cinétique d adsorption de gel de silice en fonction du temps ; (-) mesures en continue sur %Hr, ( ) mesures discontinues basées sur les masses réelles des échantillons Albi, France du 28 au 3 Août 27 4

6 Notre étude a commencée par un test du rendement du gel de silice utilisé pour l expérimentation (figures 8 et 9). Ce test nous a montré que lorsqu on refait la même mesure trois fois de suite on obtient presque la même allure avec un très faible écart. Il faut noter que les courbes obtenues par mesures continues résulte d un essai d environ 6 heures alors que les mesures discontinues correspondent à 15 points de mesures et au moins deux répétitions pour chaque point ( de 2 à 3 journées d essais). Ceci illustre l intérêt des mesures en continu qui nécessitent moins de temps pour obtenir des résultats équivalents essai1 Hrs-Hre(%) -1-2 essai1 essai2 essai3 Ts-Te(k) 8 4 essai2 essai Figure8 : Différence d humidité Figure9 : Différence de température Les figures 1 et 11 montrent l évolution de la température à la sortie du lit de sorption. La différence de température entre l entrée et la sortie est due à la teneur en eau initial du milieu. On constate que les températures regagnent leurs valeurs initiales vers la fin du processus de sorption, on dit que l équilibre thermique est établi. Figure1 Figure11 4. CONCLUSION Le travail décrit ci-dessus a pour objectif la détermination de la cinétique de sorption moyennant des mesures d humidité relative à l entrée et à la sortie du lit contenant du gel de silice. On conclu qu il est possible de déduire la cinétique de sorption de manière continue. La technique de mesure a été validée par une série d essais dans lesquels le processus de sorption est interrompu. Références [1] Daudin, J.D. et Bimbenet, J.J «Transformation de la prune d ente en pruneau : mesure des cinétiques de séchage et incidences technologiques» Sciences des Aliments, 5, [2] McMinn, W.A.M. et Magee, T.R.A Principles, methods and applications of the convective drying of foodstuffs Trans. Of the IchemE, 77 (C), [3] Sendeera, W., Bhandari, B., Young, G. and Wijesinghe, B. 2. Physical properties and fluidization behaviour of fresh green bean particulates during fluidized bed drying Trans. Of the IchemE, 78(2), [4] Ho, J.C, Chou, S.K., Mujumdar, A.S., Hawlader, M.N.A et Chua, K.J. (21). An optimisation framework for drying of heat sensitive products Applied thermal Engineering, 21, [5] Bouzrara, H. et E. Vorobiev (2). Beet juice extraction by pressing and pulsed electric fields. International Sugar Journal, 12 (1216), Albi, France du 28 au 3 Août 27 5