TRAVAUX PRATIQUES DE GÉNIE CHIMIQUE SÉCHAGE I/ MODE OPÉRATOIRE remarque: il est très important avant de démarrer la manipulation d'avoir bien compris quelles étaient les sondes correspondants aux indications de l'afficheur. On note ainsi: T sec: T humide: T chaud: T sortie: Humidité: température de l'air à l'entrée de l'installation avant chauffage température humide de l'air prise à l'entrée de l'installation avant chauffage température de l'air à l'entrée du sécheur après chauffage température de l'air à la sortie du sécheur humidité relative de l'air à la sortie du sécheur 1/ Introduction de la masse à sécher: La masse d'alumine humide à sécher doit être pesée après avoir prélevé dans 5 flacons en verre des échantillons pour analyse de la teneur en eau avec la balance à dessiccation. Les prélèvements devront être les plus représentatifs possibles. Pour des raisons horaires, il est impératif de réaliser les analyses une fois le séchage commencé. 2/ Mise en route de l'installation: • préparation du thermomètre humide: humidifier la gaze avec une pissette sans exagération. Cette opération est à renouveler fréquemment. • vérifier que l'ordinateur est en route pour l'acquisition de données et afficher l'écran permettant de suivre l'évolution des températures. Il est impératif de mettre en route préalablement le banc de traitement de déchets (interrupteur général et marche générale). • introduire dans le sécheur la masse d'alumine humide: il est fondamental pour une réussite du séchage que le solide ne soit pas tassé mais seulement lissé en surface. Refermer l'enceinte soigneusement. • la sonde de température placé dans l'enceinte ne doit pas être introduite dans le solide. Elle n'est pas utilisée pendant l'expérience. • ouvrir les vannes pour obtenir un débit d'air comprimé de 4,5 m3.h-1 dans le sécheur: il est important de contrôler cette valeur pendant le séchage pour la réajuster si besoin. • fixer une température d'air chaud de 58 °C et mettre en marche le chauffage de l'air: il faut vérifier absolument qu'il y ait une circulation d'air pour ne pas endommager la résistance électrique. Cet instant correspond à l'instant t = 0. 3/ Relevé des valeurs: remarques: • Il est important de comprendre que normalement la température d'air humide qui ne dépend que de l'air fourni par le compresseur du bâtiment ne doit pas varier. Les variations observées correspondent à des mesures erronées dues au dispositif. En fait on considérera pour l'exploitation la valeur la plus faible. • La température de l'air avant chauffage ne doit également que peu varier pour la même raison. • Une fois la consigne de chauffage de l'air atteinte, la température de l'air après chauffage ne doit pratiquement pas varier. On déduit des trois remarques précédentes qu'en observant judicieusement le déroulement expérimental, on pourra se contenter assez rapidement de valeurs fixes. Un suivi continu de ces trois valeurs est donc inutile. Noter toutes les 10 minutes puis toutes les 5 minutes quand l'humidité relative décroît, la température ainsi que l'humidité relative de l'air en sortie. 4/ Arrêt de l'installation: Le séchage est terminé quand l'humidité relative de l'air en sortie tend vers 0. Couper le chauffage lorsque la température de l'air après chauffage est d'environ 30 °C, la circulation d'air peut alors être coupée. Prélever trois échantillons de solide pour analyse. II/ EXPLOITATION DES RÉSULTATS Il est absolument nécessaire de commencer le compte rendu avant la fin du séchage. Le compte rendu comprendra les éléments suivants: • détermination de l'humidité du produit initial et du produit final. En déduire les masses d'eau initiale et finale contenues par l'alumine. • à partir du diagramme de l'air humide, déterminer l'humidité relative et absolue de l'air à l'entrée du chauffage et à l'entrée du sécheur. D'après les explications plus haut, ces valeurs seront considérées constantes pendant toute la durée du séchage. Déterminer ensuite l'enthalpie de l'air avant le chauffage et à l'entrée du sécheur. • tracer à partir du système d'acquisition de données et d'EXCEL l'évolution en fonction du temps de T sec, T humide et T chaud. Vérifier les hypothèses. • tracer à partir du système d'acquisition de données et d'EXCEL l'évolution en fonction du temps de T sortie et Humidité. • à partir du diagramme de l'air humide, déterminer l'humidité absolue de l'air à la sortie du sécheur (ce travail est à effectuer en même temps que la manipulation). • à partir de la méthode expliquée en annexe, déterminer la masse d'eau gagnée par l'air pendant les intervalles de temps choisis puis la masse d'eau cumulée en fonction du temps. En déduire l'évolution en fonction du temps de la masse d'eau contenue par le solide. Tracer cette courbe. Comparer la valeur finale avec celle obtenue par analyse. • tracer la cinétique de séchage (évolution de la vitesse de disparition de l'eau du solide). • déduire de cette courbe deux types de séchage différents. • choisir deux instants où la vitesse de séchage est à peu près constante et déterminer à partir du diagramme de l'air humide l'enthalpie de l'air à la sortie du sécheur. Comparer avec la valeur à l'entrée et conclure. Examiner un instant correspondant à une cinétique décroissante et proposer une explication. • déduire de vos résultats l'énergie (sous forme de chaleur) nécessaire pour sécher dans nos conditions finales 1 kg de l'alumine humide fournie. III/ ANNEXES 1/ Diagramme de l'air humide 2/ Procédure de calcul de la masse d'eau perdue par le solide 3/ Schéma du banc de séchage PROCÉDURE DE CALCUL DE LA MASSE D'EAU PERDUE PAR LE SOLIDE Le calcul repose sur l'hypothèse que la masse d'eau perdue par le solide est intégralement transmise à l'air. On utilise les notations suivantes: Qv, ρ: dt: dmeau : W(t): débit volumique et masse volumique de l'air sec (on ne tient pas compte de l'eau en très faible quantité à l'entrée du sécheur) 3 -1 -3 (m .h et kg d'air sec.m ) petit intervalle de temps (h) masse d'eau transmise à l'air sec entre les instants t - dt et t (g d'eau) masse d'eau transmise à 1 kg d'air sec lors de son passage dans le sécheur à un instant t (g d'eau par kg d'air sec). On peut seulement considérer W(t) comme constant pendant un intervalle de temps très petit. On constate expérimentalement que l'humidité absolue de l'air à la sortie du sécheur varie dans le temps; par conséquent W est une fonction du temps. On peut écrire l'égalité suivante: dmeau = Q v ⋅ ρ ⋅ dt ⋅ W ( t ) où le terme Qv.ρ.dt correspond à la masse d'air sec traversant le sécheur pendant dt. Dans l'intervalle de temps [t - ∆t; t] (∆t est un intervalle entre deux mesures d'humidité de l'air en sortie), on calcule meau qui est la masse d'eau transmise à l'air sec: t m eau = t Qv ⋅ ρ ⋅ W(t) ⋅ dt = Qv ⋅ ρ ⋅ t − ∆t W(t) ⋅ dt t − ∆t L'intégrale I correspond à l'aire de la fonction W(t) entre t - ∆t et t. La méthode consiste donc à tracer d'abord la fonction W(t). Les valeurs expérimentales d'humidités absolues de l'air entre la sortie et l'entrée (assimilée à une constante à l'entrée) permettent facilement d'obtenir W(t) par différence. Comme la fonction n'est pas connue de manière analytique mais seulement par quelques points, il va être nécessaire d'utiliser une méthode numérique pour le calcul de l'intégrale I (méthode des trapèzes). On assimile dans cette méthode la variation de W entre les instants de mesure t et ∆t à une variation linéaire. L'intégrale précédente I est donc la somme de l'aire d'un rectangle (côtés ∆t et W(t) ) et la demi somme de l'aire d'un autre rectangle (côtés ∆t et W(t) - W(t - ∆t) ). On obtient alors: I = W(t - ∆t) ⋅ ∆t + 1 1 ⋅ ∆t ⋅ (W (t ) − W (t − ∆t )) = ⋅ ∆t ⋅ (W (t ) + W (t − ∆t )) 2 2 Il est évident que la méthode est d'autant plus exacte que l'intervalle de temps est petit c'est à dire que deux mesures sont rapprochées dans le temps. On peut maintenant résumer la méthode de calcul dans EXCEL: 1/ écrire deux colonnes: l'une pour les temps, l'autre pour les humidités absolues de l'air en sortie 2/ dans une troisième colonne, retrancher de la deuxième colonne la valeur d'humidité absolue de l'air à l'entrée. La troisième colonne correspond donc à W. 3/ dans la quatrième colonne, calculer l'intégrale en utilisant la dernière formule. 4/ dans la cinquième colonne, multiplier les termes de la quatrième par Qv.ρ: on a alors calculé la masse d'eau gagnée par l'air (c'est à dire la masse d'eau extraite du solide) dans les intervalles de mesures. 5/ dans une sixième colonne, on cumule ces valeurs pour avoir l'évolution de la masse d'eau gagnée par l'air depuis l'instant initial. 6/ dans une septième colonne, on retranche de la masse d'eau initiale contenue par le solide les masses d'eau cumulées de la sixième colonne: on obtient donc au cours du temps la masse d'eau contenue par le solide au cours du temps.