présentation séchage 322

Le séchage dans les IAA Prof. Mohamed MOUNCIF

Version: Novembre 2010

Département de Génie des Procédés et Technologie Alimentaire GPTA 1

SOMMAIRE 1. GENERALITES SUR LE SECHAGE

1.1. Définition du séchage 1.2. Intérêts du séchage 1.3. Produits à sécher 2. PRINCIPES DU SECHAGE 2.1. Séchage par « EBULLITION » 2.2. Séchage par « ENTRAINEMENT » 3. ECHANGE D’EAU ENTRE L’AIR ET LE PRODUIT 3.1. Définitions 3.2. Courbes de sorption

2

4. L’AIR HUMIDE 4.1. Diagramme enthalpique de l’air humide 4.1.1. Expression de l’enthalpie. 4.1.2. Exemples d’utilisation du diagramme enthalpique 4.1.3. Saturation isenthalpique de l’air. 4.2. Mesure de la concentration d’un air en eau 5. TEMPERATURES ET ALLURES DE SECHAGE 5.1. Périodes du séchage 5. 2. Évolution de la température du produit 6. CALCUL DES SECHOIRS

6.1. Bilans de matière et de chaleur 6.1.1. Séchoirs par entraînement.

3

1. Généralités sur le séchage 1.1. DEFINITION

" Le séchage "

est une

opération unitaire ayant pour but d'éliminer partiellement ou totalement

l'eau d'un corps humide par évaporation 4

Séchage  Le corps humide peut être solide ou liquide mais

Le produit final est solide

Evaporation ou Concentration  Le corps initial est liquide Le produit final est un concentré liquide 5

Avantages  Longue conservation  Réduction en poids Inconvénients  Modification du produit (forme, texture, goût, odeur et qualités nutritionnelles)

 Opération coûteuse en énergie 6

Humidité de certains aliments en % Viande de bœuf Viande de poulet Poisson Poires Pommes, pêches, oranges Tomates, fraises Avocat, banane Carotte, pomme de terre Laitue, lentilles Miel Confiture Farine, riz Poudre de lait

50 à 70 74

65 à 81 80 à 85 85 à 90 90 à 95 74 à 80 80 à 90 90 à 95 20 28 12 4

7

Consommation en énergie

(kJ/kg d'eau évaporée)

Atomiseur

5000

Sécheur à tambour

5000

(rotatif)

Sécheur tunnel

4000

Eau l ibre ou pu re

2250

Source : Le monde alimentaire, janvier-février 2001, pg 21 8

Exemples de produits séchés Produits Agricoles peu hydratés: Mais, blé, autres céréales ,graines oléagineuses, etc..

Produits Agricoles très hydratés: Prune, pruneau, figue, raisin, viande, poisson, etc.…

Produits de transformation industrielle: Café, thé, pâte, charcuterie, fromage, sucre, caséine, etc….

Sous produits industriels: Pulpe de sucrerie, drèches de brasserie, sérum de fromagerie, etc.. 9

Exemples de produits séchés (suite) 

Les pâtes alimentaires



La viande fumée : saucisson, jambon…



Les fromages : séchage dans une ambiance contrôlée



Le sucre cristallisé est obtenu par évaporation



Les légumes (pois,…) et fruits secs (pruneaux, raisins, abricots…)



Certains biscuits apéritifs sont produits par séchage à l'air chaud à partir d'une pâte de maïs



Les jus de fruits sont préparés à partir d'un concentré obtenu par vaporisation



Le sel (gisement minier) est concassé, dissout, épuré avant d'être essoré et enfin séché jusqu'à devenir du sel raffiné.



La conservation de beaucoup de types de grains ou de végétaux est assurée par le séchage : café, cacao, riz et autres céréales, feuilles de thé, épices… 10



Certains produits en poudre : cacao, lait,…

Températures d’air tolérées pour le séchage de produits A.A. ou A.I. PRODUITS FOURRAGES ET PULPES

θ C MAXI. 800 à 900

BLÉ

82

RIZ

54

ABRICOTS

66

FIGUES

74

PRUNES

77

RAISINS

88

AIL

60

CAROTTES

70

OIGNONS

70

POIVRONS

66

11

PT

2. Principe du séchage Pv

PA :::::::::

2.1. Séchage par « Ébullition »

Eau

L’ébullition d’un liquide se produit lorsque sa température est telle que la pression de vapeur Pv de l’eau de ce liquide est égale à la pression totale ambiante P T :

Pv = PT

avec PAair sec = 0

On doit noter que cette équation implique l’absence de tout autre gaz que la vapeur d’eau dans l’atmosphère en équilibre avec le produit 12

DÉFINITION: Ebu l l ition /Evaporation  L'ébullition a lieu à une température fixe pour une pression totale donnée. Elle se

déroule au sein du liquide avec formation de bulles.

 L'évaporation températures

a

lieu

(même

à

toutes

inférieures

les à

la

température d'ébullition); elle s'effectue à

la surface du liquide.

13

•

Eau pure, à Pat

Solutions aqueuses, Pv

donc

> 100 C

• Solides

humides,

v

= 100 C

en présence des corps dissous

∆ = retard à l’ébullition les

phénomènes

sont

analogues : selon l’état de l’eau dans le produit,

celle-ci bout à 100 C ou plus haut. • Dans tous les cas, la température d’ébullition dépend de la pression. Elle est en particulier plus basse sous vide. 14

L’apport de la chaleur latente d’évaporation est effectué soit par:

 Conduction à partir d’une surface chauffée au contact du produit.  Génération interne de chaleur due à l’exposition à un rayonnement infrarouge ou de micro-ondes.  Convection à partir de vapeur d’eau surchauffée ou d’un fluide chauffant (tel que l’huile chaude de friture). 15

Séchage convectif: Le liquide est vaporisé par la chaleur transférée par le fluide caloporteur (souvent un gaz ou air).

2.2. SECHAGE PAR ENTRAINEMENT TRANSFERT D’EAU

Air en contact avec le produit : Pv = 4000 Pa

= 29 C

PRODUIT

TRANSFERT DE CHALEUR

Air de séchage : = 80 C

Pv = 1000 Pa

F i g ur e 1 : S é c h a g e p a r e n t r a î n e m e n t 16

L’air sert donc à la fois de fluide chauffant et de gaz vecteur pour l’eau enlevée. Entrant sec et chaud dans le séchoir, il en ressort humide et moins chaud. La température de l’air (80 C) est loin des 100 C que

demanderait l’ébullition à la pression atmosphérique.

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. 17

3. ECHANGE D’EAU ENTRE L’AIR ET LE PRODUIT Que le séchage s’opère par ébullition ou par entraînement, c’est la pression de vapeur d’eau du produit qui détermine les échanges. Ceci reste vrai pour toutes les autres situations dans lesquelles de l’eau est échangée entre une substance et l’atmosphère qui l’entoure, par exemple lors du stockage des produits. C’est par rapport à l’état d’équilibre que se mesure l’importance de l’échange.

18

3.1. DEFINITIONS ET RAPPELS

CAS DU PRODUIT Fractions massiques ( X) : Eau (m1)

m

Matière sèche MS (m2)

m : masse du produit m1 : masse d’eau dans le produit m2 : masse de matière sèche dans le produit EAU

MS :

:

X1

X2

=

=

m1 m m2 m

; 0

; 0

X1

X2

1

1

X1 +X2 =

1 19

Humidité d’un produit : (H%)

Eau (m1) m

m : masse du produit m1 : masse d’eau dans le produit m2 : masse de matière sèche dans le produit

Matière sèche MS (m2)

m1

HUMIDITE = (H%) =

m

0

x 100

(H%)

100 20

Teneur en eau d’un produit, (nS)

Eau (m1)

m : masse du produit m1 : masse d’eau dans le produit

m

Matière sèche MS

m2 : masse de matière sèche dans le produit

Teneur = (nS) =

(m2)

m1 m2

Autre expression: Teneur en % = nS x 100 exprimée en kg d’eau/kg de matière sèche Où

en kg d’eau/100 kg de matière sèche

21

Application H

=

H% =

x Homographique

x+y n 1+n

x 100

mPH =100

55 %

35 %

n =

(n)

=

x linéaire

y H 100 - H

mMS =100 2,17

1,52

54%

55 %

1

54%

34%

35 %

1

34%

25 %

1,32

24%

25 %

1

24%

15%

1,16

14%

15%

1

14% 22

CONCLUSION Pour les calculs sur les séchoirs (bilan, dimensionnement),

il

est

toujours

préférable de travailler sur la base de matière sèche, qui seule reste constante au cours du séchage. 23

Activité de l’eau d’un produit (aw) : ::P’::

::Pv::::

Eau

Produit Humide

Eau

Eau Pure (P’)

(Pv)

Pv = Pression de vapeur d’eau du produit P’ = Pression de vapeur de l’eau pure à la même température T

Matière sèche MS

aw =

Pv P’

(Sans- dimension)

0

aw

1

Pv et P’ sont tous deux très fortement dépendants de la température, leur rapport l’est beaucoup moins.

24

L’activité de l’eau d’un produit est le rapport entre la pression de vapeur de l’eau du produit

et la pression de vapeur de l’eau pure à la même température. Pv et P’ sont tous deux très fortement dépendantes de la température, leur rapport l’est beaucoup moins. 25

3.1. DEFINITIONS ET RAPPELS (suite)

CAS DE L’AIR Teneur en eau (na): Eau (m1)

m

Air Sec (m2)

m : masse d’air humide

m1 : masse d’eau dans l’air humide m2 : masse d’air sec dans l’air humide

Teneur = (na): =

m1 m2

En kg d’eau/kg d’air sec Relation entre m et m2 :

m = m2 ( 1 + na) 26

Humidité relative d’un air Humide (Hr) ou Degré Hygrométrique (i) Eau (Pv) Eau pure (P’)

T

::P’::

::Pv::::

Eau

Air sec PA

T

Pv = Pression de vapeur d’eau de l’air humide P’T = Pression de vapeur de l’eau pure à la même Air Sec

température T

Hr = i =

Pv

(Non- dimensionnel /S.D)

P’ 0

i

1

27

Démonstration de la pression partiel de vapeur d’eau Pv

de l’air sec PA

PT

PT = 1 = PT

= PA + PV

Fraction molaire

PA + P V = Y A + YV PT PT Teneur en eau dans l’air (kg eau/kg air sec)

na = Fraction massique

y

V

yA

na

=

18 Yv 29 YA

na = 18 Pv = 0,62. Pv 29 PA (PT – PV)

Valeurs de la pression de vapeur saturante en fonction de la température et formule pour les calculer Température En C

Pression P’ (Pa)

Température En C

Pression P’ (Pa)

0

6,10472.10²

80

4,73419. 104

10

1,22774.103

90

7,00943. 104

20

2,33777.103

100

1,01323.105

30

4,24278.103

110

1,43260.105

40

7,37580.103

120

1,98532.105

50

1,23334.104

130

2,70128.105

60

1,99153.104

140

3,61420.105

70

3,11569.104

150

4,76016.105

0 < T < 45 C ; P’ = exp 23,3265 – 3802,7

-

T + 273,18

472,68

2

T + 273,18

T > 45 C ; P’ = exp 23,1964 – 3816,44 T + 227,05

29

CONCLUSION

na

18 Pv 29 PA

=

= 0,62.

i=

Pv P’

PV

(PT – PV)

Pv

=

na . PT na +0,62

Et P’ = exp 23,1964 – 3816,44

Pour T > 45 C ;

T + 227,05 30

Autres Méthodes de mesure de l’activité de l’eau

a) aw mètre b) Equilibre d’une atmosphère confinée avec solution à aw connu et avec échantillon c) Equilibre avec courant gazeux à i constant (mesure de i par hygromètre) d) Manométrie 31

a) Méthode du aw mètre Substance et atmosphère (un air) en équilibre l’une avec l’autre. Ps, Pa : Pressions de vapeur d’eau Ts, Ta: Températures de la substance et de l’atmosphère. Pa , Ta

PS, TS

i Figure 2 : Définition de l’humidité relative d’équilibre, ou activité de l’eau

aw

32

L’activité de l’eau, ou « humidité relative d’équilibre », d’un produit est l’humidité relative d’une atmosphère en équilibre

avec ce produit.

Ainsi, l’équilibre air/produit se caractérise simplement par :

aw = i et Ts = Ta

33

Pa , Ta

Figure 2 : Définition de l’humidité relative d’équilibre, ou activité de l’eau PS, TS

i aw 34

b) Méthode

d’équilibre d’une atmosphère confinée

avec solution à i connu et avec échantillon Méthode des « sels saturés » ::Pv::::::::: :::::::::::::: …;;;;;;;;;;;;

:::::::

Solution saline saturée

::::::::::::::: Dépôt de sel

::Pv::::::::: :::::::::::::: ……………..…… …………………..

Produit

Solution saline saturée

::::::::::::::: On place des petites quantités de matière dans des atmosphères confinées en présence de solutions saturées renfermant des excès de sels. A température constante les degrés hygrométriques des airs en 35 avec les solutions saturées sont constants équilibres

3 . 2 . CO U R B ES D E S O R PT I O N

Courbe de sorption ou ’’isotherme de sorption ’’

d’un produit

est

une relation entre aw et ns

(teneur en eau, mesurée en kg d’eau/kg de matière sèche) à température donnée. Cette relation se représente comme suite (fig. 3):

36

3.2. COURBES DE SORPTION ( teneur en eau, kg eau / kg M.S.)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

ns

0

0.1

0.2

Figure 3 :

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Un exemple d’une courbe de sorption d’eau

1

aw 37

60 C 80 C

38

A distinguer aussi courbe d’adsorption et de désorption

39

Méthode d’établissement des courbes de sorptions

40

Arbitrairement on distingue trois domaines :

0