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Sechage
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Chap. 2. SÉCHAGE
� Définitions et applications
� Comportement général du séchage
� Méthodes de séchage
� Appareillage
C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna
� Problèmes rencontrés
� Transfert de matière
� Transfert d’énergie
2.3. Méthodes de séchage
� Entraînement (convection)
� Ébullition (conduction)
� Atomisation
� Rayonnement
Un liquide ne se vaporise que si sa pression
de vapeur est supérieure à la pression à
laquelle se trouvent ses vapeurs dans la
phase gazeuse
� Le séchage par entraînement (convection)
� Représente le mode de séchage le plus fréquent dans l’industrie chimique
C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna
� Représente le mode de séchage le plus fréquent dans l’industrie chimique
� L’eau – le liquide à éliminer; l’air – le gaz d’entraînement
� Réalisation: le solide à sécher en contact avec un courant gazeux chaud (le plus sec
possible) – le gaz fournit la chaleur nécessaire à l’évaporation du liquide et entraîne
la vapeur formée
� La température du gaz diminue entre l’entrée et la sortie alors que c’est le contraire
� pour le solide
� Le système évolue vers un équilibre - la pression partielle des vapeurs du liquide tend
vers une valeur normale
2.3.1. Séchage par entraînement
� Séchage co-courant � Séchage contre-courant
Air chaudet sec
Solide froid et humide
L’air serefroidit ets’humidifie
Le solide sedéshydrate
et s’échauffe
Air chaudet moins humide
Solide froid et humide
L’air serefroidit ets’humidifie
Le solide sedéshydrate
et s’échauffe
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Air moinschaud
et humide
Solide secet
vulnérable
� Il faut beaucoup d’air pour déshydrater
le produit
� Procédé au rendement médiocre
Air chaudet sec
Solide secmais
fragile
� Meilleur transfert de chaleur et
d’humidité mais un produit
altéré par la forte chaleur de
l’air chaud
2.3.1. Séchage par entraînement
� Mise à température du solide
� Séchage à vitesse constante
�
�
�
C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna
� Séchage à vitesse constante
� Séchage à vitesse décroissante
� �
�
2.3.1. Séchage par entraînement
� Séchage à vitesse constante
�
�
� S’effectue de manière adiabatique – il n’y a aucun échange de
chaleur avec l’extérieur
� La chaleur latente de vaporisation de l’eau est entièrement fournie par le
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refroidissement de l’air chaud
� Le processus s’effectue donc à enthalpie constante - l’air chaud va donc
évoluer sur une isenthalpe
� Pendant cette période la température du solide reste constante et égale à la
température humide de l’air
2.3.1. Séchage par entraînement
� Séchage à vitesse constante
�
�
� Facteurs qui augment la cinétique
� Diminution de l’humidité absolue de l’air de séchage
� L’élévation de la température de l’air de séchage
� L’augmentation du coefficient de transfert thermique (augmentation
C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna
� L’augmentation du coefficient de transfert thermique (augmentation
de la vitesse de circulation de l’air)
�L’augmentation de la surface spécifique du solide ce qui entraîne une
augmentation de la surface d’échange
Pendant cette phase la nature du solide et sa structure interne (pores,
interstices) n’interviennent pas
�
�
� Séchage à vitesse décroissante
� L’air n’atteint jamais la température de saturation adiabatique
puisque la vitesse commence à décroître à partir d’une humidité
Xc (humidité critique) et finit par tendre vers une vitesse nulle
� L’humidité superficielle n’est plus renouvelée assez rapidement car le séchage
progresse, il faut alors éliminer l’eau provenant de l’intérieur du solide
2.3.1. Séchage par entraînement
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progresse, il faut alors éliminer l’eau provenant de l’intérieur du solide
� La vitesse s’annule quand l’humidité du solide devient égale à Xlim ce qui
correspond à une valeur d’équilibre pour l’air de séchage utilisé
� Pendant cette phase les conditions opératoires liées à l’air perdent de leur
importance - On assiste à un échauffement du solide
2.3.2. Séchage par ébullition (conduction)
� Ce mode de séchage est tout à fait analogue à une évaporation
� Consiste à porter le produit à une température telle que la pression de vapeur du
liquide volatil atteint la pression régnant dans l’appareil
� La température est obtenue par le contact avec une paroi solide portée à une
température élevée par chauffage (fumées, vapeurs d’eau...)
� Dans ces conditions le liquide se vaporise et le système est formé par le solide en
C.4 - 2012 OPÉRATIONS FONDAMENTALES III – C.Tibirna
� Dans ces conditions le liquide se vaporise et le système est formé par le solide en
cours de séchage et par une phase gazeuse constituée par les vapeurs du liquide
� Le séchage par ébullition est souvent utilisé lorsque l’on a affaire à des liquides
volatils autres que l’eau et devant être récupérés
� Il est également appliqué dans le cas du séchage de produits aqueux congelés
(lyophilisation ou freeze drying)
2.3.2. Séchage par ébullition (conduction)
� Les vapeurs formées sont soit aspirées (cas du séchage sous pression réduite qui
abaisse la température d’ébullition), soit entraînées par un gaz de balayage dont
le débit est très faible par rapport à celui utilisé dans le cas d’un chauffage par
convection
� Le séchage sous pression réduite permet de traiter des produits facilement oxydables
à une température élevée
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à une température élevée
� Il est aussi très intéressant pour le séchage des substances thermosensibles qui ne
supporteraient pas longtemps une température élevée
� Dans le cas d’un séchage discontinu on retrouve (tout comme pour le séchage par
convection) deux périodes : a) Une période à vitesse de séchage constant; b) une
période à vitesse de séchage décroissant
2.3.3. Séchage par atomisation
Ce procédé est applicable directement à des solutions, des émulsions ou des
suspensions fines
L'idée de base - production de poudres qui se propagent très fortement à partir
d'un liquide par évaporation du solvant
Cette opération est obtenue en mélangeant un gaz chauffé à un liquide atomisé
(vaporisé) de gouttelettes présentant un rapport masse / surface élevé, idéalement de
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(vaporisé) de gouttelettes présentant un rapport masse / surface élevé, idéalement de
taille égale, au sein d'une cuve (chambre de séchage), provoquant ainsi l'évaporation
du solvant de manière uniforme et rapide par contact direct.
Ces sécheurs fonctionnent en continu et s'appliquent à de grosses productions
Ils ont l'inconvénient de nécessiter la vaporisation de très grandes quantités de
solvants et consomment donc beaucoup d'énergie ce qui freine leur développement.
2.3.3. Séchage par atomisation
Applications
� Produits pharmaceutiques
�Amalgames osseux et dentaires
� Boissons
� Parfums, colorants et extraits de plantes
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� Parfums, colorants et extraits de plantes
� Produits laitiers et à base d'œufs
� Plastiques, polymères et résines
� Savons et détergents
� Textiles et bien d'autres produits
2.3.4. Séchage par rayonnement
� Ce mode de séchage convient aux produits en plaques ou en films (faible épaisseur)
� L'apport d'énergie s'effectue par ondes électromagnétiques générées soit par des
dispositifs électroniques (micro-ondes) soit par élévation de la température d'un
émetteur infrarouge.
� En infrarouge le chauffage se manifeste sur des épaisseurs très faibles (500 µm).
�Avec des micro-ondes on peut sécher à des épaisseurs plus importantes
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�Avec des micro-ondes on peut sécher à des épaisseurs plus importantes
� Le champ électromagnétique véhiculé par ces fréquences excite les molécules
d'eau: l'agitation moléculaire qui en résulte provoque des chocs intermoléculaires
� Cela entraîne un échauffement du produit et donc la vaporisation des molécules
d'eau
� Le séchage par micro-ondes est encore peu fréquent dans l'industrie chimique: il
présente les avantages d'être propre et facile à réguler. De même son action s'effectue
sur le volume du solide ce qui diminue les risques de croûtage en surface.
2.4. Appareillage
� les caractéristiques du produit à sécher
� le coût de séchage
� la sensibilité à la chaleur, à l’oxydation, etc.
Développementselon
� Suivant le procédé Continu
discontinu
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Classification
� Suivant le mode de séchage
� Suivant le type de produits traités
convection conduction rayonnement atomisation
Bloc PoudrePâtePulpefilm
2.4. Appareillage
1. Four à air chaud (étuve)
2. Sécheur à chambresSécheurs discontinus
� S’utilisent pour :1) le traitement de petites quantités de produits; 2) lorsque
la composition et la structure du produit alimenté sont très variables; 3) le
traitement de petites quantités de produits coûteux exigeant des conditions de
séchage très particulières
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séchage très particulières
� Inconvénient majeur: coût énergétique supplémentaire à chaque fin de cycle
� Fonctionnement: 1) par léchage (courant de gaz parallèle à la matière); 2) par
traversée (courant de gaz perpendiculaire à la matière).
Un procédé continu se fera préférentiellement dans le cas d'une fabrication
importante.
1.1. Four à air chaud (étuve)
� Enceintes fermées, de tailles variables,
où l’air est chauffé est envoyé en dessous
du produit à travers un plancher perforé
� Le produit est déposé en couche de
10 à 50 cm d’épaisseur sur des plateaux
� L’épaisseur de la couche peut varier
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� L’épaisseur de la couche peut varier
- compromis entre le désir d'utiliser au maximum la capacité du séchoir et
l'augmentation de la résistance au passage de l'air avec l'épaisseur - se traduit par une
baisse de débit du ventilateur et ne permet pas d'obtenir le débit spécifique nécessaire
pour assurer une bonne homogénéité de séchage
1.1. Four à air chaud (étuve)
� On prévoit plusieurs couches de produit supportées chacune par un tamis
� L’air chaud après être passé sur la couche inférieure déjà partiellement sèche passe
sur la ou les couches supérieures et quitte l’étuve à un degré hygrométrique
relativement élevé
� Lorsque la matière se trouvant sur le plateau inférieur est sèche, on l’élimine et
ainsi de suite
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� Le débit d’air rapide et l’agitation permettent un séchage plus rapide et plus
uniforme
1.2. Sécheur à chambres
� Il est conçu de manière telle que l’air chaud circule au contact de la matière placée
sur des plateaux, des tamis ou même suspendue
� Difficulté: arriver à avoir une bonne répartition de l’air
� On accole habituellement deux chambres de ce type de façon à ce qu’en fin de
séchage l’air encore chaud et sec provenant d’une des chambres permettre de
commencer le séchage dans la seconde
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commencer le séchage dans la seconde
1.2. Sécheur à chambres
� Début d’opération: chambre 1 - chargée et l’air chaud est envoyé par A et sort en B
� Lorsque le degré hygrométrique en B est suffisamment bas, on ouvre C et on ferme B
� L’air s’échappe en E après être passé dans la deuxième chambre
� On peut recycler une partie ou même la totalité de l’air lorsque son degré
hygrométrique n’est pas suffisamment élevé à la sortie
� Économie importante de chaleur, sans freiner nettement le séchage si l’on se trouve
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dans la période de séchage fortement ralenti
2.1. Tunnel de séchage
� Ce type de sécheur continu peut être long de 20 m et large de 3m
� Le produit est réparti à une épaisseur de 5 à 15 cm sur une bande transporteuse
� Souvent un tunnel de séchage est divisé en deux sections
�Au départ l’air est soufflé en dessous et par la suite au-dessus, dans le but d’éviter
de souffler à l’extérieur le produit séché et d’uniformiser le séchage
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2.1. Tunnel de séchage
� Le solide humide alimenté par vanne
rotative à écluses et déplacé par bande
transporteuse
� La circulation d'air chaud à contre-
courant du solide ou de manière
perpendiculaire au produit se fait dans un
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perpendiculaire au produit se fait dans un
tunnel formé en général par des caissons de
section rectangulaire
� À chaque position dans le tunnel de
séchage correspond une température et une
humidité relative du produit et de l’air
toujours constantes
2.2. Sécheur à tambour rotatif
� Produits minéraux quisupportent destempératures élevées
� Produits pulvérulents non collants
Applications
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� Long cylindre légèrement incliné tournant à l'intérieur d'une enceinte chauffée
par des gaz de combustion d'un brûleur
� Le solide humide est alimenté par bande sans fin et descend sous l'action de la
gravité et de l'entraînement
� Le mouvement de rotation permet le renouvellement du solide au niveau des
surfaces chauffantes
� L’air chaud est alimenté à contre-courant
2.3. Sécheur à cylindres
� Produits sous forme de film� Papier, textile, matières plastiques
Applications
Cylindres creux animés d'un lent mouvement de rotation (vitesse comprise entre 10
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et 30rpm) et chauffés à l'intérieur par un fluide caloporteur
La matière à sécher s'écoule entre les cylindres sous forme d’une mince couche de
matière liquide
Le séchage se fait en moins de 90 secondes et la couche de produit est mince (2 mm
en général), soit en un demi à trois quarts de tour
Le produit est décollé des tambours à l’aide de couteaux racleurs et récupéré par des
convoyeurs
2.3. Sécheur à cylindres
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L’évaporation de l’eau se fait quand l’aliment atteint la température d’ébullition
Ensuite la température du produit séché monte sur les cylindres ce qui peut
endommager les constituants thermosensibles
Pour éviter cela les cylindres peuvent être opérés sous vide ou ils peuvent être
jumelés à un refroidisseur à lit fluidisé pour refroidir rapidement le produit
ceci est surtout utilisé dans le cas des produits thermoplastiques qui sont broyés à la
sortie du refroidisseur
2.4. Sécheur à lit fluidisé
� Produits sous forme de film� Papier, textile, matières plastiques
Applications
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� L’alimentation du solide à sécher se fait en continu par vis sans fin
� L’alimentation en air chaud est répartie uniformément sur toute la surface du lit
par une grille de distribution
� Un courant d'air chaud est soufflé sous la couche de matière et un lit fluidisé
s'établit
2.4. Sécheur à lit fluidisé
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� L’agitation forte et une mise en contact intime de l'air et du solide, favorisent le
séchage; les échanges thermiques sont alors intenses et l'efficacité du séchage est très
grande
� Un cyclone est placé à la sortie d'air humide pour séparer le solide éventuellement
entrainé (de plus faible granulométrie)
2.5. Sécheur à atomisation
� Il permet de regrouper en une seule opération la
suite d'opérations de cristallisation, de filtration
et d'essorage
� Le système de pulvérisation en très fines
gouttelettes du liquide préchauffé conditionne
l'efficacité du séchage
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l'efficacité du séchage
� Il est constitué d'une turbine tournant à grande vitesse
� L'air est introduit chaud par un disperseur dans la chambre
� Pendant son trajet dans l'appareil, toute l'eau est évaporée par l'air
2.5. Sécheur à atomisation
Phases
� Préparation de la matière : homogène, pompable et exempte de toutes impuretés,
en solution, suspension ou sous forme de pâte
� Atomisation = transformation de la matière en gouttelettes = l'étape la plus
critique de tout le procédé -le degré d'atomisation contrôle le taux de séchage et par
conséquent la taille du sécheur
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�Atomisation par buse sous pression –on force le liquide à travers un orifice - méthode efficace qui permet une distribution de particules de taille la plus petite possible�Atomisation par buse à double fluide : La pulvérisation est créée en mélangeant la matière à un gaz comprimé. La méthode énergique la moins efficace. Utile pour réaliser des particules extrêmement fines.�Atomisation par force centrifuge : La pulvérisation est créée en passant la matière à travers ou par-dessus un disque rotatif. La méthode la plus résistante à l'usure et qui peut généralement fonctionner sur des périodes plus longues
Techniques
d'atomisation
2.5. Sécheur à atomisation
Phases
� Séchage : Phase à taux constant qui permet à l'humidité de s'évaporer rapidement
depuis la surface de la particule. Elle est suivie par une période de baisse du taux au
cours de laquelle le séchage est contrôlé par diffusion de l'eau vers la surface de la
particule.
� Séparation de la poudre à partir d'un gaz humide : Doit être effectuée d'une
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� Séparation de la poudre à partir d'un gaz humide : Doit être effectuée d'une
manière économique (par exemple en recyclant le milieu séchant) et exempt de
polluant. De fines particules sont généralement ôtées avec les cyclones, filtres à toile,
précipitateurs ou pulvérisateurs d'eau
Annexes aux sécheurs
� Filtres – maintenir l’air de séchage propre (exempt des bactéries et microorganismes)
� Ventilateurs – transport d’air (énergie mécanique nécessaire à sa traversée)
� Déshumidificateur d’air – abaisse l’humidité de l’air de séchage avant son entrée
dans le séchoir (condensation –refroidissement ou adsorption)
� Réchauffeurs d’air –optimiser la déshumidification de l’air - aérothermes (tubes
munis d'ailettes ) – un échangeur de chaleur
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munis d'ailettes ) – un échangeur de chaleur
� Récupération thermique – recyclage de l’air à la sortie du sécheur s’il est peu
chargé en humidité –mélange avec l’air neuf ou préchauffer l’air neuf
2.5. Problèmes rencontrés
� Risques d’explosion si le solvant est un composé organique
� Normes de rejets pour l’air à la sortie du séchoir
� Récupérer le solvant s’il est organique
� Ne pas dépasser la concentration limite pour les poussières de solides
entraînées avec le gaz
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� Séchage par diffusion – processus long – surface extérieure séchée mais l’intérieur
humide
� Temps de séchage par atomisation – difficile à prédire
� Un séchage inégal – déformation du produit
2.6. Transfert de matière
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V = M(XE - XS )
� Rapport massique en liquide à l'entrée: XE
� Liquide entrant avec le solide: M XE
� Solide+liquide entrant: M(1+XE)
� Rapport massique en liquide : XS
� Liquide sortant avec le solide: M XS
� Solide+liquide sortant: M(1+XS)
2.6. Transfert de matière
Pourcentages : Base humide-base sèche
%10100
10)(% ==
humideboisg
eaughumidebasehumidité
Ex: Soit un échantillon de 100 g de panneau mural contenant 90 g de solide et 10
g d’humidité
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%11,11sec90
10)(% ==
boisg
eaugsèchebasehumidité
En absence d’indication, il s’agit toujours de la base humide
On désire sécher 250 kg d’un produit chimique contenant 15 % d’eau
(base humide) jusqu’à ce qu’il contienne seulement 3% d’eau (base sèche).
Combien d’eau (kg) doit-on enlever?
Réponse: 31,125 kg H2Om = 218,875 kg solide
Exercice d’application 2.1
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Un séchoir à atomisation reçoit 5 000 lbm/h d’une solution de NaOH à 2% et
concentre cette solution (par évaporation d’une partie de l’eau) jusqu’à ce
qu’elle contienne 20% de NaOH.
Trouver :
a) le débit (lbm/h) de la solution concentrée obtenue;
Exercice d’application 2.2
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b) combien d’eau on doit évaporer, en lbm eau/lbm NaOH solide traité?
Réponse: a) 500 lbm/h solution concentréeb) 45 lbm eau/lbm NaOH traité
On alimente une certaine quantité de gâteau humide, contenant 80 % d’eau
à un séchoir à air chaud. À la fin de l’opération de séchage, on obtient un
gâteau sec contenant 40% d’eau. On a constaté que 200 lbm d’eau ont été
enlevés du gâteau humide lord du séchage. Quelle est la quantité (en lbm)
du gâteau humide alimentée au séchoir?
m = 300 lbm gâteau humide
Exercice d’application 2.3
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m1 = 300 lbm gâteau humide
2.7. Transfert d’énergie
Enthalpie de l’air à l’entrée + Enthalpie du produit à l’entrée =
Enthalpie de l’air à la sortie + Enthalpie du produit à la sortie + les pertes d’énergie
Le débit du produit à l’entrée :
sP mMm && ⋅+= )1( 11(2.1)
Le débit du produit à la sortie :
sP mMm && ⋅+= )1( 22(2.1)
ps
ppPaASppPaAS QTCmhmTCmhm &&&&& +⋅⋅+⋅=⋅⋅+⋅⋅⋅ 22221111(2.3)
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ps
ppPaASppPaAS QTCmhmTCmhm &&&& +⋅⋅+⋅=⋅⋅+⋅⋅⋅ 22221111(2.3)
2222
1111
)881,1005,1(6,2499
)881,1005,1(6,2499
aa
aa
THHh
THHh
⋅⋅++⋅=
⋅⋅++⋅=
(2.4)
ha1= Enthalpie de l’air à l’entrée du sécheur (kJ/kgAS)
ha2= Enthalpie de l’air à la sortie du sécheur (kJ/kgAS)
hP1= Enthalpie de l’air à l’entrée du sécheur (kJ/kgAS)
hP1= Enthalpie de l’air à la sortie du sécheur (kJ/kgAS)
2.7. Transfert d’énergie
ASm& = débit d’air sec (kg/s)
sm& = débit de matière sèche à l’entrée (kg m.s/s)
1Pm& = débit massique du produit à l’entrée (kg/s)
2Pm& = débit massique du produit à la sortie (kg/s)
CP1 = chaleur massique du produit à l’entrée (kJ/Kg.°C)
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CP2 = chaleur massique du produit à la sortie (kJ/Kg.°C)
TP1 = température du produit à l’entrée (°C)
TP2 = température du produit à la sortie (°C)
M1 = teneur en eau du produit à l’entrée (kg eau/kg produit sec)
M2 = teneur en eau du produit à la sortie (kg eau/kg produit sec)
Exercice d’application 2.4
Un sécheur à lit fluidisé à contre-courant déshydrate des levures de boulangerie de 70
% d’eau à 4 %. L’air utilisé à l’entrée a Ta1 = 80 °C et H1 = 0,01 kg eau/kgAS et quitte
le sécheur à Ta2 = 40 °C. Le produit à l’entrée est à TP1 = 20 °C et il a un débit massique
de 1800kg/h; sa chaleur massique est de 3559 J/kg.°C. À la sortie, le produit est à TP2 =
40 °C et sa chaleur massique est de 1926 3559 J/kg.°C. Durant le séchage, il n’y a pas
de perte de chaleur à travers les parois du sécheur. Calculer le débit d’air sec
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de perte de chaleur à travers les parois du sécheur. Calculer le débit d’air sec
nécessaire au séchage.