Aperçu du procédé de séchage par atomisation

1. Qu'est-ce que le séchage par atomisation ?

Le séchage par atomisation est une méthode de séchage qui a connu un développement considérable au cours des 30 à 50 dernières années. Il présente des avantages uniques pour sécher des matériaux tout en les préservant de la dégradation. C'est un procédé très polyvalent qui peut être utilisé à l'échelle du laboratoire ou dans des usines produisant des dizaines de tonnes par heure. Un procédé de séchage par atomisation permet également de produire une poudre dont la granulométrie peut être ajustée dans certaines limites, augmentant ainsi considérablement les propriétés et la facilité de manipulation du matériau séché.

Pour définir le séchage par atomisation en une phrase concise, on peut se référer à cette citation de Masters, 1991 : Le séchage par atomisation est la transformation d'une alimentation de l'état fluide en une forme particulaire séchée par pulvérisation de cette alimentation dans un milieu de séchage chaud.

Comme mentionné dans la définition, les matériaux à sécher doivent d'abord être manipulés sous forme liquide, conditionnés à la bonne viscosité, température et pression avant d'être pompés dans une chambre de séchage, à travers une buse de pulvérisation, où de l'air sec est introduit.

2. Applications du séchage par atomisation

À quoi sert le séchage par atomisation ?

Aujourd'hui, le séchage par atomisation est largement utilisé dans de nombreux secteurs industriels. Il a trouvé des applications notamment dans l'agroalimentaire (séchage par atomisation du lait...) ou le pharmaceutique. En effet, des produits comme le lait en poudre instantané ou le café soluble sont fabriqués grâce à ce procédé. La possibilité d'éviter la dégradation pendant le séchage en fait également un procédé de choix pour l'industrie pharmaceutique.

Voici quelques exemples d'applications du séchage par atomisation :

• Lait en poudre instantané
• Poudre de lactosérum
• Café soluble
• Crémier non laitier
• Caséine
• Arômes
• Détergents, savons, agents tensioactifs
• Pesticides
• Pigments
• Engrais
• Antibiotiques, vaccins, vitamines, levures
• Enzymes
• Polymères

Cette liste n'est que partielle mais déjà très longue. De nombreuses industries utilisent le séchage par atomisation car il offre une technique de séchage en continu, avec un temps de séjour très court à température élevée, permettant ainsi, si le système est bien réglé, de sécher des composants thermosensibles.

3. Comment fonctionne le séchage par atomisation

Principe du séchage par atomisation ?

Le schéma suivant est une représentation simplifiée d'un procédé courant de séchage par atomisation avec un flux co-courant air/produit dans la chambre de l'atomiseur et un cycle d'air ouvert. Il existe des technologies de séchage par atomisation plus complexes et performantes, mais la représentation ci-dessous constitue en quelque sorte un minimum pour une ligne industrielle.

Figure 1 - Schéma de principe d'un atomiseur

Indépendamment du degré de complexité de l'installation, le procédé de séchage par atomisation se compose de 5 étapes principales décrites ci-après.

3.1 Procédé en voie humide

Avant le séchage par atomisation, les matériaux à sécher sont sous forme liquide. Le procédé en amont de l'atomiseur vise à conditionner les matériaux de manière à rendre possible le séchage par atomisation et à optimiser son rendement. Les étapes typiques de cette partie de la ligne sont les suivantes :

• Dissolution / formulation - si la matière première n'est pas disponible directement sous forme liquide
• Concentration / évaporation : l'augmentation de la matière sèche améliorera le rendement de l'atomiseur
• Chauffage : le chauffage peut aider à compenser l'augmentation de viscosité due à la concentration
• Pompage : la suspension est pompée à haute pression vers l'atomiseur

3.2 Atomisation

Afin d'assurer un séchage très rapide, il est nécessaire d'atomiser le flux liquide en très fines gouttelettes. Cela augmente considérablement la surface d'échange où l'humidité peut quitter les particules.

Cette atomisation est réalisée grâce à une ou plusieurs buses. Différents modèles de buses pour atomiseurs existent et doivent être choisis en fonction du matériau et du débit afin d'obtenir les meilleurs résultats :

• Buses à pression
• Buses rotatives
• Buses à deux fluides

3.3 Contact entre le matériau à sécher et l'air

Le séchage a lieu grâce à l'air sec entrant en contact avec les gouttelettes pulvérisées. La capacité de l'air à absorber l'humidité, et donc à sécher les particules, est augmentée en chauffant l'air avant qu'il n'entre dans la chambre de séchage par atomisation. Il présente une faible humidité relative à l'entrée et une humidité relative élevée, ainsi qu'une température plus basse à la sortie.

L'air peut être soufflé soit en co-courant avec le produit, depuis le haut de la tour, soit à contre-courant, depuis le bas. Dans de nombreuses applications, le contre-courant est préféré, mais pour le séchage par atomisation, le co-courant présente un intérêt majeur : l'air à la température la plus élevée entre d'abord en contact avec les particules ayant l'humidité la plus élevée, ce qui aide à protéger les particules contre une surchauffe.

3.4 Séchage

Le séchage se produit en réalité tout au long de la chambre de séchage par atomisation, suivant la progression des particules solides à l'intérieur. L'humidité est éliminée progressivement grâce à un transfert de masse et de chaleur entre la particule et l'air :

• Taux de séchage constant : la particule est saturée en liquide, le transfert de masse se fait aussi vite que possible, dépendant notamment de la surface de la particule
• Taux décroissant : une fois que la surface de la particule n'est plus saturée en liquide, le séchage dépendra de la capacité du liquide piégé dans la matrice solide de la particule à diffuser jusqu'à la surface afin de s'évaporer. C'est un processus contrôlé par la diffusion.
• Formation de bulles : pendant la période de taux décroissant, la température de la particule augmente. Si elle atteint une température supérieure au point d'ébullition du liquide, celui-ci peut se vaporiser dans la particule et l'expanser, créant ainsi une bulle.

3.5 Séparation des solides

Une fois les particules séchées, il est nécessaire de les collecter. Très souvent, une telle séparation est effectuée dans des cyclones qui peuvent être équipés de filtres pour augmenter leur efficacité.

La poudre est collectée au bas de l'atomiseur et transportée pneumatiquement vers un cyclone où elle est séparée de l'air. L'air dans la chambre de séchage est également envoyé vers un autre cyclone où les fines, qui peuvent avoir été entraînées par l'air, sont séparées et renvoyées vers le flux principal de produit. L'air humide est généralement rejeté, mais dans certains cas, comme il est encore chaud, il peut être réutilisé pour d'autres opérations de procédé - préchauffage...

3.6 Tailles des atomiseurs

Les atomiseurs industriels peuvent atteindre plusieurs tonnes/heure et disposent généralement de grandes chambres de séchage et de plusieurs buses. Cependant, il existe également sur le marché des atomiseurs de laboratoire (mini-atomiseurs) très utiles pour les travaux de recherche ou simplement pour obtenir une première idée d'un produit et de sa facilité de séchage avant de passer à l'échelle industrielle.

4. Fabricants d'atomiseurs

Il existe de nombreux fabricants d'atomiseurs aux États-Unis, en Europe et également dans des pays produisant beaucoup de lait comme la Nouvelle-Zélande, car les atomiseurs sont très utilisés pour produire du lait en poudre. Les principaux acteurs sont :

• Atomiseurs GEA
• Atomiseurs NIRO
• Atomiseurs Tetra Pak
• Atomiseurs SPX Anhydro...
• ou les atomiseurs Büchi pour les applications en laboratoire (mini-atomiseur Büchi).

Lors du choix d'un fournisseur, il est très important de vérifier leurs références, poser des questions (par exemple à l'aide des explications données sur le site powderprocess.net) pour évaluer le degré d'expertise de l'entreprise, et contacter plusieurs sociétés afin de réaliser un appel d'offres concurrentiel parmi les fabricants d'atomiseurs.