Caractéristiques et inconvénients des équipements de séchage sous vide à double cône

1. Aperçu

Le séchoir sous vide à double cône (ci-après dénommé « séchoir à double cône ») est un séchoir dynamique à chauffage indirect sous vide, utilisé depuis longtemps et permettant des économies d'énergie. Son principe repose sur la rotation à 360° du cône sous vide grâce à un mécanisme d'entraînement. Cette rotation favorise le mélange des matériaux à l'intérieur du cône et leur chauffage par contact avec la surface chauffante. Le mélange continu des matériaux assure l'autonettoyage de cette surface. La différence de température ainsi créée est également très avantageuse pour le séchage à basse température de nombreux matériaux thermosensibles.

Le séchoir à double cône fonctionne sous vide, sans ajout de gaz inerte, ce qui favorise l'évaporation et le séchage de matériaux contenant divers solvants organiques, ainsi que la récupération de ces solvants avec un taux élevé. Sa conception permet une évacuation propre et rapide du matériau sec, un avantage opérationnel inégalé par rapport à tout autre type de séchoir.

Le séchoir à double cône est adapté au séchage de divers matériaux en vrac sans adhérence aux parois. Grâce au filtre à gaz d'échappement installé sur le tuyau d'aspiration à l'intérieur du cône, les pertes de poussières entraînées par les gaz d'échappement sont réduites, ce qui permet d'obtenir un rendement de séchage élevé.

Ce système permet une alimentation et un déchargement simultanés en circuit fermé, évitant ainsi la pollution liée à l'exploitation et la dispersion de poussières lors du déchargement. L'efficacité du séchage dynamique à double cône est nettement supérieure à celle des séchoirs à disques traditionnels.

Cependant, le séchage au double cône présente aussi quelques inconvénients. Premièrement, il ne convient qu'au séchage intermittent.

L'utilisation de joints d'étanchéité mécaniques à friction pour le vide entraîne inévitablement l'usure et la contamination du joint lors du fonctionnement à sec. En cas de fuite de vide, les particules d'usure et les impuretés présentes dans le joint sont aspirées dans le double cône et se mélangent au produit en cours de séchage. Si ce produit est un médicament, il risque d'être contaminé, devenant ainsi impropre à la consommation et présentant un risque pour la santé.

Le séchoir à double cône est un séchoir à chauffage à double enveloppe. Si on le considère comme une sphère, lorsqu'on l'agrandit, sa surface de chauffe F (m²) augmente proportionnellement au carré du diamètre D (mm), tandis que son volume V (m³) augmente proportionnellement au cube de son diamètre D (mm). Par conséquent, lorsque le diamètre du double cône passe d'un petit à un grand diamètre, l'augmentation de sa surface de chauffe est bien inférieure à l'augmentation de son volume.

Par conséquent, le rapport entre la surface de chauffe du bicon F(rfl) et son volume V(m) se déséquilibre avec l'augmentation du diamètre D(iTlm), ce qui explique que la valeur F/V d'un bicon de petite taille soit bien supérieure à celle d'un bicon de grande taille. Par exemple, la valeur F/V d'un bicon de 5 m est environ deux fois plus petite que celle d'un bicon de 0,3 m, soit environ 3,6 m/m. Et lorsque le volume du bicon atteint 10 m, sa valeur F/V diminue à 2,5 m/m.

Comme son nom l'indique, l'équipement de séchage sous vide à double cône est utilisé pour le chauffage et le séchage, et sa fonction principale doit se refléter dans l'efficacité du chauffage et du séchage ou dans la taille de la surface d'échange thermique.

En termes relatifs, son volume est d'importance secondaire. Cependant, actuellement, presque tous les échantillons de séchoirs à double cône utilisent le volume pour identifier leurs spécifications. Dans une certaine mesure, les fabricants de séchoirs à double cône induisent les utilisateurs en erreur, intentionnellement ou non. En effet, de nombreux utilisateurs ne remarquent pas la variation régulière du rapport F/V lors du grossissement biconique.

On croit souvent à tort que les séchoirs biconiques de grande et de petite capacité ont une efficacité de séchage similaire. Il arrive fréquemment qu'en achetant un séchoir biconique de grande capacité, on constate que son efficacité est bien inférieure à celle obtenue lors des essais réalisés avec un séchoir biconique de petite capacité en usine. L'efficacité ayant alors doublé, mais ne permettant pas d'atteindre le rendement souhaité, il est nécessaire d'acquérir un autre séchoir biconique de grande capacité.

Cela a non seulement augmenté les investissements et la superficie de l'usine, mais a également retardé le plan de production.

La température de séchage de nombreux produits thermosensibles est inférieure à 100 °C, et nombre d'entre eux sont encore séchés à l'eau chaude (environ 100 °C) comme source de chaleur. Il est donc nécessaire de prévoir des équipements auxiliaires tels qu'un réservoir d'eau chaude, une pompe et une canalisation d'eau chaude. Le chauffage par chaleur sensible à l'eau chaude requiert une différence de température entre l'entrée et la sortie, ce qui réduit naturellement cette différence par rapport au chauffage par chaleur latente de la vapeur. Ceci est très défavorable au chauffage à basse température de produits très sensibles à la chaleur.

Le coefficient de transfert thermique du chauffage à eau chaude est bien inférieur à celui du chauffage à vapeur saturée, et la structure du chauffage à eau chaude à double enveloppe est également plus complexe que celle du chauffage à vapeur, ce qui non seulement augmente l'investissement en équipement, mais n'est pas non plus propice à la gestion.

En raison du mélange et de la rotation continus de la matière sèche dans le double cône, certains produits à cristaux fins et à forte teneur en eau, tels que la riboflavine, l'acétylspiramycine et d'autres, peuvent facilement former des granulés de tailles différentes pendant le processus de mélange. Une fois formés, ces granulés sont difficiles à sécher complètement.

En principe, les fours à double cône ne conviennent pas aux matériaux contenant des granulés lors du processus de séchage.

Le séchoir à double cône est un séchoir dynamique en rotation constante, équipé d'une chaudière de chauffage (enveloppe chauffante). Les séchoirs à double cône traditionnels de grande taille (grand diamètre) sont caractérisés par une chemise de cône et une enveloppe extérieure épaisses et lourdes.

La cuve intérieure du cône est généralement en acier inoxydable, tandis que la paroi extérieure de l'enveloppe est en acier au carbone. Le diamètre du grand cône double (2 à 10 m) est de 1 600 à 2 600 mm, l'épaisseur de la paroi de la cuve intérieure est de 8 à 14 mm, et celle de l'enveloppe extérieure est plus importante. Comme chacun sait, la résistance thermique de l'acier inoxydable est cinq fois supérieure à celle de l'acier au carbone. Un revêtement épais en acier inoxydable nuit au transfert de chaleur du cône, ce qui réduit l'efficacité de chauffage et de séchage du cône double. L'entraînement d'un revêtement épais augmente naturellement la puissance du moteur.

L'enveloppe extérieure du compresseur à double cône est plus épaisse et plus lourde, ce qui accroît la consommation énergétique du moteur d'entraînement. Fonctionnant des milliers d'heures par an, le compresseur à double cône nécessite une attention particulière afin d'optimiser son fonctionnement à long terme et de réduire sa consommation d'énergie. Cette nouvelle ère de l'économie d'énergie fait l'objet de recherches actives à travers le monde. La structure et les matériaux de cet équipement, jusqu'ici négligés, méritent une étude et une analyse approfondies.

La discussion qui suit est basée sur des cônes doubles ne répondant pas aux exigences des BPF.

2 Grossissement du bicône

Avec le développement des produits de chimie fine, le besoin en un double cône de grande taille et à efficacité accrue se fait de plus en plus sentir.

Un grand cône double traditionnel, de par sa forme imposante, présente une surface de chauffe disproportionnée : celle d’un cône double de 5 m n’est que de 18 m², avec un rapport F/V de 3,6 m²/m², tandis que celle d’un cône double de 10 m chute à 2,5 m²/m². On peut donc sans exagérer décrire ce cône double comme robuste à l’extérieur et sec au centre.

L'agrandissement du séchoir sous vide à double cône implique naturellement l'augmentation de la surface d'échange thermique. Heureusement, le cône offre un espace considérable qui peut être exploité ; la clé du succès réside dans la manière d'optimiser cet espace.

Pour faciliter le nettoyage de l'équipement, plus la surface de l'élément d'échange thermique est simple, mieux c'est. La plaque chauffante creuse mince (c,Di~) a été choisie car elle répond aux exigences de surface lisse, de facilité de nettoyage et de compacité. Prenons l'exemple d'un double cône de 10 m : une plaque chauffante intérieure mince peut être installée dans le grand espace du cône, dans le sens du flux de matière, tout en laissant suffisamment de place pour le nettoyage et la maintenance. Par exemple, un espacement de 110 à 160 mm est maintenu entre les plaques chauffantes intérieures. Généralement, la surface de la plaque chauffante intérieure peut être 1,5 à 3 fois supérieure à celle du cône d'origine, ce qui permet d'augmenter les valeurs F et V du double cône jusqu'à 0,2 m.

Une valeur similaire de 9,0 m/m est obtenue pour le petit cône biconique. En particulier, l'épaisseur de la plaque chauffante interne est inférieure au tiers de celle du cône, ce qui double la surface de chauffe et réduit considérablement la résistance thermique. Ainsi, l'efficacité de séchage du cône biconique agrandi est plus de deux à trois fois supérieure à celle du cône biconique traditionnel. La structure interne du cône biconique de 10 m après l'installation de la plaque chauffante interne est illustrée à la figure 1.

Illustré par la figure 1, 10 m.

Le diamètre du cône est de 2 600. De chaque côté du canal de maintenance d'une largeur de 600 mm, il y a 7 plaques chauffantes internes de # l à ≠}7, 14 au total. La surface totale de la plaque chauffante intérieure est F = 56 m², et son épaisseur est de 40 mm. Le volume total de la plaque chauffante intérieure est V = 2,2 m³. La distance entre les centres des deux plaques chauffantes intérieures est d = 200 mm, l'écart réel entre les deux plaques chauffantes intérieures est de 160 mm. La surface de chauffe de l'enveloppe du cône est F = 29,6 m². Ainsi, la surface de chauffe totale des deux cônes de 10 m est F = 85,6 m², et le volume du cône est V = 12,1 m³. Le volume réel du cône après déduction de la surface de la plaque chauffante intérieure est V = 9,9 m³. On sait que le rapport F/V du nouveau bicone atteint 8,6 m³/m, ce qui est très proche des 9,0 m³/m du petit bicone de 0,2 pouce. Le rapport F/V du séchoir à double cône 10 1TI sans plaque chauffante interne est de 2,5 I/m. Avec l'ajout de la plaque chauffante interne, ce rapport est plus de trois fois supérieur (voir figure 2). Grâce à cette augmentation du rapport F/V, l'efficacité de séchage d'un seul séchoir à double cône peut égaler celle de trois séchoirs traditionnels. De plus, le moteur d'entraînement du séchoir à double cône permet d'économiser environ 60 kWh de consommation électrique par heure.

3. Comparaison des économies d'acier inoxydable réalisées grâce à l'ajout d'une plaque chauffante intérieure à double cône de grande taille

Prenons encore un volume utile de 10 m³ comme exemple. Les dimensions globales du double cône de 10 m sont de 2 600 x 3 600 mm (hauteur totale). D'après la description ci-dessus, la surface de l'enveloppe chauffante du double cône est de F = 29,6 pouces carrés et la surface totale de la plaque chauffante intérieure est de F = 56 pouces carrés. Si l'épaisseur de paroi du double cône est de 14 mm et celle de la plaque chauffante intérieure de 3 mm, alors le double cône pèse 3,3 tonnes en acier inoxydable, tandis que la plaque chauffante intérieure pèse 1,34 tonne en acier inoxydable.

On constate que le double cône nécessite 111,4 kg d'acier inoxydable par mètre carré, tandis que la quantité requise pour la plaque chauffante n'est que de 24 kg par mètre carré. Autrement dit, la quantité d'acier inoxydable consommée par mètre carré de surface de chauffe du double cône est identique à celle de la plaque chauffante interne, qui est 4,6 fois plus importante. Si l'on considère uniquement la surface de chauffe (~IE4) d'un double cône traditionnel de grande taille, et compte tenu de la forte consommation d'acier inoxydable, le cône étant creux, il est possible, voire indispensable, d'augmenter la surface de la plaque chauffante interne afin de compenser l'épaisseur réduite des parois du cône.

4. Renforcement structurel de la plaque chauffante intérieure

La plaque chauffante interne creuse et mince classique nécessite un renforcement par soudage par points. Son épaisseur de paroi n'étant que de 2 à 3 mm, il est nécessaire de percer ses deux faces. Le traitement précis des rainures sur cette plaque mince, conformément aux spécifications de soudage, s'avère complexe. En particulier, les plaques chauffantes exigées par les BPF pharmaceutiques doivent être meulées et polies après soudage. De ce fait, de minuscules points de faiblesse apparaissent au niveau des soudures par points, susceptibles d'entraîner la rupture soudaine de la plaque chauffante lors des opérations de production ultérieures, notamment par sablage.

La structure traditionnelle de renforcement par soudage par bouchons de plaques minces est susceptible de laisser passer ce genre de danger caché.

Nous avons tiré les leçons de cette expérience et adopté une technologie de renforcement par soudage non destructif articulé pour la nouvelle structure de renforcement de la plaque chauffante interne à double cône. Il n'est plus nécessaire de perforer la carte mère double face de la plaque chauffante interne, évitant ainsi les inconvénients liés au soudage par points perforés. Cette technique élimine les difficultés pratiques de fabrication de la plaque chauffante interne, indispensable à l'amplification biconique.

5. Problème de source de chaleur à basse température (100 °C) du double cône

Lorsque le double cône est utilisé pour sécher des produits thermosensibles, le double cône traditionnel adopte la méthode de chauffage à l'eau chaude.

Le chauffage à eau chaude nécessite non seulement un ensemble complexe de réservoirs, de pompes et de canalisations, mais aussi, en raison de la chaleur sensible de l'eau, une différence de température entre l'entrée et la sortie. L'effet de chauffage et de séchage naturel est donc bien moindre à la sortie qu'à l'entrée. Cette différence de température est très défavorable au séchage.

Si le double cône de grande taille est toujours chauffé à l'eau chaude, la charge thermique requise augmentera considérablement en raison de l'accroissement important de la charge de l'équipement de séchage. Ceci nuit fortement à l'efficacité de ce dernier. En revanche, si de la vapeur saturée est utilisée comme source de chaleur, il est impératif de contrôler rigoureusement la température et la pression dans l'enveloppe de chauffage du double cône afin de garantir qu'elles correspondent aux paramètres physiques de la vapeur saturée requis par la température de chauffage. Ainsi, la vapeur contenue dans l'enveloppe pourra se condenser en temps voulu et l'eau sera évacuée.

La vapeur d'eau saturée à 0,2 MPa peut être utilisée directement comme source de chaleur pour le chauffage à basse température du double cône. Bien entendu, l'espace à l'intérieur de l'enveloppe du double cône de grande taille est important et contient une grande quantité de gaz inerte (notamment dans la plaque chauffante interne) au démarrage du véhicule. Ce gaz doit être évacué, sous peine de perturber gravement son fonctionnement normal. On ajoute ensuite de la vapeur d'eau saturée.

6. Recherche sur la réduction de l'épaisseur des parois des équipements à double cône de grande taille

Le monde d'aujourd'hui se préoccupe d'économiser l'énergie et de réduire les émissions. Des avions aux trains en passant par les voitures, tous cherchent à réduire l'épaisseur de leur structure.

Évoquant une grande chaudière (enveloppe chauffante) à l'arrière du double cône, il apparaît nécessaire de mener des recherches sur les économies d'énergie, la réduction des émissions, la préservation de l'acier inoxydable et l'amélioration de l'efficacité du chauffage et du séchage. Nous devons également apporter notre contribution dans le domaine des technologies de séchage.

7 Conclusion

Avec la production à grande échelle de l'industrie chimique fine, le besoin en séchoirs sous vide à double cône de grande capacité se fait sentir. Cependant, la conception de ces séchoirs, obsolète, a engendré de nombreux problèmes de production et d'utilisation. Le rapport entre la valeur de production et la consommation énergétique de notre industrie est bien supérieur à celui de pays développés comme le Japon, ce qui conduit à négliger l'efficacité de nombreux équipements, notamment en considérant à tort que leur prix ne repose pas sur leur rapport coût-efficacité, mais sur leur poids. Les séchoirs sous vide à double cône en sont probablement un exemple typique.