L'AIR HUMIDE Deuxième partie: Le Séchage Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Le séchage est l'opération ayant pour but d'éliminer l'eau d'un corps humide par évaporation de cette eau. Le corps humide peut être solide ou liquide mais le corps final doit être solide. I. Objectif du séchage en IAA: a) intérêts d'alléger le produit permettre ou facilité la conservation ( diminution de l'aw) de donner une présentation (café lyophilisé, paillette de purée) b) Inconvénients: modifie le produit dans sa forme, sa texture, ses qualités organoleptiques. Coûteux en énergie c) Application en IAA: Légumes (pomme de terre, carottes, oignons) ->PAI (produits alimenatires intermédiaires) Fruits (prunes) Plantes aromatiques (thé, thym, romarin...) Produits de transformation industrielle (séchage pour stabilité et présentation) : charcuterie sèche (jambons, saucissons...), pates, thé, café, sucre, caséine, malt, pet food, amidon etc... Sous produits industriel: pulpes de sucrerie, drèches de brasserie, sérum de brasserie... II. Principes du séchage -> Première idée: porter à ébullition l'eau du produit pour qu'elle se vaporise (cf boule de concentration). Ce principe n'est pas le plus employé, on préfère opéré à température moins élevée en utilisant l'air comme gaz d'entrainement. a) séchage par ébullition: Rappel L'ébullition se produit lorsque sa témpérature est telle que sa pression de vapeur «p» de l'eau de ce liquide est égale à la pression totale ambiante: La température d'ébullition dépend: de la pression (plus basse sous vide partiel) présence de corps dissous de la composition de l'atmosphère d'évaporation L'ébullition proprement dite est difficle à observer dans les solides Cas de la lyophilisation: -> pas de d'ébullition. -> action combinée du froid et du vide D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 1
Ce procédé combine l action du froid et du vide en provoquant la sublimation de l eau ; celle-ci passant directement de l état glacé à l état vapeur sans transition par la phase liquide. Le produit est le plus souvent déposé sur des claies. La vapeur d'eau (ou de tout autre solvant) quitte le produit et on la capture par congélation à l'aide d'un condensateur, ou piège. lyophilisation (sécheurs à chariots) Type de produit 1. Entrée du produit humide 2. Mise en dépression 3. Chariot mobile (avec surface chauffante) 4. Plaque de condensation de vapeur 5. Remise en pression 6. Sortie du produit sec 7. Chambre de condensation Produit liquide (en couche de 1,5-3 cm) Produit pâteux (sous réserve du type d alimentation) Produit pulvérulent, granulaire, fibreux Produit plan, en forme, en morceaux, dimensions de produit généralement de 1 mm à 1 cm D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 2
La lyophilisation est un procédé de séchage en trois temps : Congélation du produit Le produit est congelé à basse température (-30 à -50 C). Cette étape est déterminante car elle fixera les caractéristiques cristallines du système congelé, et par là, la texture de la forme lyophilisée finale. Sublimation de la glace Le produit congelé est ensuite introduit dans une enceinte de séchage travaillant sous vide poussé (pression absolue : 100 Pa). L eau s évapore alors par sublimation. Désorption finale de l eau liée Il s agit d extraire l eau adsorbée ou emprisonnée dans les microcapillaires. Des variantes au procédé générique existent également (sécheurs à chariots ; pulvérisation + lyophilisation). Caractéristiques du procédé Pression de la chambre de séchage Température du produit couche froide max. de surface Temps de séjour Densité de chargement Capacité de traitement horaire 10 à 300 Pa -10 à -40 C 30 à 90 C 10 à 72 h 5 à 18 kg/m² 0,1 à 0,5 kg d'eau/h/m² AUTRE TECHNIQUE: La zéodratation est une technique de déshydratation utilisant des zéolites.ses domaines d application sont encore loin d être tous explorés mais elle révolutionne déjà le domaine du séchage en raison de la grande souplesse du procédé, qui permet d adapter le traitement, en pression et température, pour répondre aux critères de qualité des produits choisis. b) Séchage par entraînement Lors qu'un corps humide est placé dans un courant d'air suffisament chaud et sec, il s'établit spontanément entre ce corps et l'air un écart de température et de pression partielle d'eau tel: qu'un transfert de chaleur s'effectue de l'air vers le produit sous l'effet de l'écart de température un transfert d'eau s'effectue en sens inverse du fait de l'écart de concentration en eau dans l'air. D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 3
Le séchage est dit isenthalpique, si l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau est exactement égale à celle apportée par l'air chaud. L'air sert donc à la fois de fluide chauffant et de gaz vecteur pour l'eau enlevée. AIR ENTRANT (SEC ET CHAUD)---> AIR SORTANT (HUMIDE ET MOINS CHAUD) REMARQUE: la température de surface du produit (29 C, fig 1) est loin des 100 C que demanderait l'ébullition à la pression atmosphérique. III. Diagramme de l'air humide a) Expression de l'enthalpie Le point de départ du diagramme est l'expression de l'enthalpie massique des mélanges d'air et d'eau. (contenue énergétique de cet air humide). L'enthlpie de référence (H = 0) est celle de l'air sec à 0 C et de l'eau liquide ) 0 C. D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 4
L'enthalpie est exprimée poru 1 Kg d'air sec accompagné de n a kg d'eau. b) Utilisation du diagramme de l'air humide cf première partie. c) Calcul sur les séchoirs: méthode On doit distinguer: ce qui peut êtrre calculer avec une précision acceptable et des méthodes simples: bilan matières et de chaleur, flux entrées/sorties ce pour quoi aucune méthode précise n'existe: utilisation d'essais laboratoires et expérience des constructeurs. Les équipements annexes, non spécifiques au séchoir, qui constitue une partie importante de l'investissement. BILAN DE MATIERE ET DE CHALEUR Schéma d'un séchoir continu On résonne sur un séchoir isenthalpique, en régime établi: les bilans de MS et d'air sec: m s = constante m a = contante les bilans d'eau m eau = ms(n s 1 n s 2 ) = ma (n a 2 n a 1 ) le bilan enthalpique pour un séchage isenthapique: H 1 = H 2 REMARQUE: En réalité, les bilans peuvent être faussé par les entraînements ou combustions des particules, par les pertes de chaleur etc... D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 5
IV. Critère de choix: Le choix du type de séchoir est délicat. Les habitudes conciste à associer automatiquement à un produit à sécher donné, un type de séchoir déterminé. a) la texture du produit Ce critère détermine le mode de manutention du produit et la façon dont on va ssurer son contactavce l'air: les produits pompable (liquides): séchoirs par pulvérisation, à billes, sur cylindre chauffant etc. les produits pateux (purée...): séchoirs sur cylindre chauffant, sur bandes, à vis etc.. les produits pulvérulents (pulpes, céréales, luzerne): séchoirs à tapis, à lit fluidisé les produits en morceaux (fruits, saucissons, fromages) : séchoirs discontinus, continus, à armoires, à claies, à chariots... Le même roduits peut être justifiable de plusieurs types de séchoirs. b) Circulation relative air/produit Dans le cas des séchoirs continues par entraînement, on doit choisir le mode relatif de déplacement d'air et du produit (fig 28): D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 6
CIRCULATION air/produit à CONTRE-COURANT: le plsu rationnel car cela permet de saturer au maximum l'air par contact avec le produit. Cependant le produit sortant est au contact avec l'air le plus chaud-> risque de détérioriation. CIRCULATION air/produit à CO-COURANT: en pratique la plus utilisée. Elle permet d'attaquer le produit avec un airtrès chaud, donc le début du séchage est très rapide. La fin l'est moins. CIRCULATION air/produit à COURANT CROISES: il est simple et se prête bien au cas d'un produit transporté sur un tapis. L'air est recirculé en contre et en cocourant. SYSTEMES MIXTES: (section à co-courant + contre courant) avec des recyclages partiel d'air sur le séchoir. c) Autres critères La durée du séchage séchoir continu ou discontinu pression ordinaire ou pas etc... D4.13/Chapitre 5 l'air humide -2- Cours de Richard MATHIEU 7
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