ARTICLE ORIGINAL
CARVALHO, Ludimila da Silva [1], RIBEIRO, Kiany Richelli Silva [2], EVANGELISTA, Edivania Rocha da Silva [3], ANCKEN, Jeisiel Von [4], GUIRALDELLI, Braz Lucas Olhier [5], ALVES, Wenderli [6], SANTOS, Alexsander Saves dos [7]
CARVALHO, Ludimila da Silva. Et al. Construction d’un séchoir rotatif et applicabilité dans le séchage du sucre. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. 04 année, Ed. 09, vol. 05, p. 85 à 100. septembre 2019. ISSN: 2448-0959, Lien d’accès: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/genie-chimique/sechoir-rotatorio
RÉSUMÉ
Au fil du temps, en raison de la demande croissante et rapide de produits alimentaires, il a été nécessaire de créer des techniques de production. L’un d’eux est la méthode de séchage des aliments fabriqués par des systèmes mécaniques. Ainsi, le travail actuel visait à fabriquer un séchoir rotatif à petite échelle. Derrière, des tests ont été effectués avec des échantillons de sucre humide prouvant l’opérabilité par des analyses de laboratoire.
Mots clés : Opérations unitaires, séchage, séchoir rotatif.
INTRODUCTION
Au fil du temps, en raison de la demande croissante et rapide de produits alimentaires, il a été nécessaire de créer des techniques de production. L’un d’eux est la méthode de séchage des aliments fabriqués par des systèmes mécaniques.
Le séchage fait partie des nombreuses opérations unitaires menées par l’industrie, puisque, respectivement, cette opération est devenue la plus habituelle.
Selon McCabe; Smith; Harriott (1993), les opérations de l’unité sont des étapes qui composent un processus, chaque étape est appelée opération et peut être appliquée à la fois aux processus physiques et chimiques. Ces opérations sont étudiées par l’ingénierie et sont basées sur la science et l’expérience. Selon les mêmes auteurs, un certain nombre de principes et de techniques sont nécessaires pour le traitement des opérations de l’unité.
« Entre autres fins, les opérations unitaires visent à réduire la taille des solides à traiter, à séparer les composants des mélanges ou à chauffer et refroidir les solides et les fluides. Les exemples sont la filtration, le séchage» […] (GOMIDE, 1983, p.3).
Selon Foust et coll., (1982), le séchage est le passage d’un liquide présent dans un solide humide à une phase gazeuse insaturée. Selon les mêmes auteurs, les solides secs sont des produits très précieux dans l’industrie.
Habituellement, le séchage est la dernière opération d’un certain nombre d’autres procédés, et le produit de la sécheuse d’origine est prêt pour l’emballage (MCCABE; SMITH; HARRIOTT, 1993).
L’opération de séchage offre de nombreux avantages, tels que l’augmentation de la durée de vie du produit, la facilité de transport et de commercialisation, parce que les aliments secs sont légers, réduction des pertes après la récolte, en plus d’être inutile pour la main-d’œuvre spécialisée (CELESTINO, 2010).
L’évaporation diffère du séchage, tandis qu’au début l’eau est enlevée comme vapeur à son point d’ébullition, dans le séchage de l’eau est enlevée sous forme de vapeur d’air (GEANKOPOLIS, 1993).
Comme l’a rapporté Gava (1998), il n’est possible de développer des micro-organismes que dans des environnements favorables tels que le taux d’humidité adéquat, la température, entre autres. Ainsi, le processus de séchage est caractérisé comme une méthode de conservation des aliments, car il réduit tellement l’humidité que les micro-organismes ne peuvent pas se multiplier.
Dans ses études, Mujumdar (2006) conclut que deux phénomènes se produisent lorsqu’un solide humide est exposé au processus de séchage, le transfert d’énergie, principalement sous forme de chaleur et le transfert d’humidité interne à la partie superficielle du solide.
Des matériaux tels que les solides organiques retiennent l’humidité à l’intérieur des fibres ou dans les pores internes. De sorte que le mouvement de l’humidité dans cette situation se produit par la diffusion du liquide à travers la structure du solide (FOUST et al., 1982).
La teneur en humidité varie selon le type de produit, par exemple, le sel danois contient habituellement 0,5 % d’eau, le charbon 4 % et la plupart des produits alimentaires jusqu’à 5 % (GEANKOPOLIS, 1993).
Il existe deux méthodes de séchage de base, le séchage naturel et le séchage artificiel.
Le séchage naturel est la simple exposition des aliments au soleil. Convient aux régions dont la température moyenne est de 35ºC à 40 °C et dont les taux de pollution sont faibles (CELESTINO, 2010).
Toujours selon Celestino (2010), le séchage artificiel est défini par l’utilisation de l’équipement dans lequel les aliments sont, et le processus de déshydratation se produit pendant une certaine période.
Mujumdar (2006) signale l’existence de plus de 400 types de séchoirs artificiels, mais un peu plus de 100 sont couramment utilisés.
Coulson et Richardson (2005) ont élaboré une étude dans laquelle ils classent les séchoirs à l’aide de certaines variables, telles que l’état physique des aliments (liquide, pâte, solide humide), la méthode de transport solide, le système de chauffage (conduction, convection, rayonnement). Dans un bref résumé, la plupart des séchoirs stationnaires tels que la sécheuse le plateau effectue l’activité de séchage en conduisant, en outre, les séchoirs rotatifs de chauffage direct effectuer le processus par convection, et d’autre part, les séchoirs rotatifs de chauffage indirect effectue le processus en conduisant.
L’un des séchoirs les plus utilisés est le sèche-linge (MUJUMDAR, 2006).
Selon Foust et al., (1982), le sèche-linge est un équipement d’exploitation discontinue, formé par une chambre, où le matériau à sécher est placé sur des plateaux ou des plateaux.
Un autre type de sécheuse est le séchoir rotatif, composé d’un tube cylindrique légèrement incliné vers la sortie, et le matériau à sécher, généralement des solides granulaires pour ce type de sécheuse, se déplace à travers le tube quand il tourne (GEANKOPOLIS, 1993).
À l’intérieur des séchoirs rotatifs, les pièces de suspension sont fixées le long du tuyau afin de favoriser la cascade des solides au débit de sortie. Dans ces séchoirs, le milieu de chauffage fourni provient de gaz de combustion ou d’air chauffé à la vapeur ou à l’électricité surchauffé (FOUST et al., 1982).
Toujours selon Foust et al., (1982), le temps de rétention des solides dans les séchoirs rotatifs est d’un extrême intérêt. Par conséquent, il faut un certain temps pour que le gaz ou l’air de séchage imprègnent l’ensemble du matériau complétant le processus de séchage.
Selon l’application, le séchoir rotatif peut être fait en chauffage direct et indirect et en débit parallèle ou contre-courant.
Dans le chauffage direct, le gaz chaud ou l’air passe directement au-dessus de la nourriture. Dans le chauffage indirect, la source de chaleur est isolée du matériau à sécher par des tuyaux ou des murs métalliques (MUJUMDAR, 2006).
Dans les séchoirs à débit contre-courant, l’alimentation est fixée dans la direction opposée au flux d’air, contrairement aux séchoirs à débit parallèles, le courant d’air et l’alimentation se déplacent dans la même direction.
OBJECTIFS
Concevoir un sèche-linge rotatif à petite échelle.
Surveiller le système de séchage à l’aide d’échantillons de sucre humide et analyser les données obtenues.
MATÉRIAUX ET MÉTHODES
Lors de l’élaboration du séchoir rotatif, les matériaux suivants liés au tableau 1 ont été utilisés.
Tableau 1 : Matériaux utilisés et coûts.
| Matériaux | Unité | Montant | VALEUR UNITAIRE | VALEUR TOTALE |
| LAVEUSE 1/4 | Pc | 11 | R$ 0,10 | R$ 1.10 |
| BARRE PLATE EN ACIER INOXYDABLE 1/4 | M | 1,5 | R$6.66 | R$9.99 |
| PVC CAP 6” | Pc | 2 | R$ 15,00 | R$ 30,00 |
| TÔLE EN ACIER INOXYDABLE T 3/16 | M² | 0,40 | R$ 5,00 | R$ 2,00 |
| TÔLE EN ACIER INOXYDABLE EXPANSIVE 3/16 | Pc | 0,30 | R$ 40,00 | R$ 12,00 |
| TOUCHE SUR ET EN DEHORS | Pc | 3 | R$ 15,00 | R$ 45,00 |
| REFROIDISSEUR 110V | Pc | 1 | R$ 20,00 | R$ 20,00 |
| COURONNE À 20 DENTS | Pc | 3 | R$ 15,00 | R$ 45,00 |
| COURONNE À 46 DENTS | Pc | 1 | R$ 12,00 | R$ 12,00 |
| CHAÎNE DE MOTO 80 CM | Pc | 2 | R$ 10,00 | R$ 20,00 |
| DISQUE DE COUPE 2 ÉCRANS 4 1/2” x 1/8 x 7/8 | Pc | 3 | R$ 16,00 | R$ 48,00 |
| DISSBASTE 4 1/2” x 1/4 x 7/8 | Pc | 2 | R$ 22,00 | R$ 44,00 |
| ÉLECTRODES DE SOUDAGE | Kg | 0,50 | R$ 25,00 | R$ 12,50 |
| BROSSE TOURNANTE DE CHEVEUX 1000 W | Pc | 1 | R$ 170,00 | R$ 170,00 |
| FIL FLEXIBLE | M | 10 | R$ 0,82 | R$ 8,20 |
| ONDULEUR DE FRÉQUENCE | Pc | 1 | R$ 75,00 | R$ 75,00 |
| Mdf | M² | 1,50 | R$ 25,00 | R$ 37,50 |
| MOTEUR DE MACHINE À LAVER D’OCCASION 0.5 HP | Pc | 1 | R$ 29,00 | R$ 29,00 |
| VIS 1/4 PAR 2” | Pc | 11 | R$ 0,35 | R$ 3,85 |
| SUPERBE VIS 5 x 50mm | Pc | 60 | R$ 0,35 | R$ 21,00 |
| NUT 1/4 | Pc | 11 | R$ 0,15 | R$ 1,65 |
| RÉDUCTION DE VITESSE 1 x 60 | Pc | 1 | R$ 200,00 | R$ 200,00 |
| Attitude | Pc | 4 | R$ 10,00 | R$ 40,00 |
| SERVICES DE LATHE ET DE SOUDAGE | Pc | 1 | R$ 60,00 | R$ 60,00 |
| THERMOMÈTRE NUMÉRIQUE | Pc | 1 | R$ 10,00 | R$ 10,00 |
| ENCRE EN LATEX | L | 1,0 | R$ 12,00 | R$ 12,00 |
| PEINTURE DE PULVÉRISATION | Pc | 3 | R$ 20,00 | R$ 60,00 |
| TUBE EN ACIER INOXYDABLE 1 1/4” | M | 0,10 | R$ 15,00 | R$ 1,50 |
| TUBE EN ACIER INOXYDABLE 1 1/2” | M | 0,40 | R$ 20,00 | R$ 8,00 |
| TUBE EN ACIER INOXYDABLE 5” | M | 0,50 | R$ 35,00 | R$ 17,50 |
| TUBE EN ACIER INOXYDABLE 6” | M | 0,20 | R$ 40,00 | R$ 8,00 |
| TUBE EN PVC 6” | M | 0,25 | R$ 15,00 | R$ 3,75 |
| Total | R$ 1068.54 |
Source: Les auteurs.
L’équipement utilisé dans ce travail était basé sur un sèche-linge rotatif à débit direct et à flux de contre-courant situé à l’usine de Coruripe dans la municipalité de Carneirinho-MG.
Pour la fabrication de la sécheuse, coupez 500mm de 5 » tube en acier inoxydable, 2 6 », 6 » tube en acier inoxydable 100mm pièces, 6 ” 1 1/4 ” tube en acier inoxydable 100mm, 6 ” 3 500mm tube en pvc barres plates, ¼ ” 500mm de long, 2 plaques 3/16 » sous la forme d’un cercle de 6 » de diamètre, 2 plaques T 3/16 de 200mm, 20mm d’épaisseur MDF avec 930 x 780mm, 2 plaques MDF de 20mm d’épaisseur avec 930 x 110mm et 2 plaques MDF de 20mm d’épaisseur avec 780 x 110mm.
Pour la construction du tambour, le tube en acier inoxydable de 5” a été utilisé. Puis, 3 barres plates de 1/4 ont été soudées à l’intérieur du tambour, formant les palettes intérieures de la sécheuse, comme le montre l’image 1.
Image 1: Roseaux à l’intérieur du tambour.
À côté du tambour, le tube de 6” était couplé aux extrémités de chaque côté. Après cela, une coupe ronde a été faite dans le tube en acier inoxydable de 1 ½” formant le flux d’entrée du produit au sommet et le flux de sortie d’air chaud sur le côté, selon l’image 2. La pièce a été soudée à une extrémité.
Image 2 : Flux d’entrée de produit en haut de la pièce et écoulement de sortie d’air chaud sur le côté gauche.
De même, à l’extérieur, une couronne de 46 dents a été soudée au tambour, comme le montre l’image 3, et 2 rails de soutien portants sur la base faite dans le tour, comme le montre l’image 4.
Image 3 : Couronne de 46 dents soudées au tambour.
Image 4 : Rails de soutien de roulement
À l’extrémité opposée du débit d’entrée du produit, le tube en acier inoxydable de 1 ¼” a été soudé, formant l’entrée d’air chaud, selon l’image 5.
Au même point, juste en dessous du tuyau, se trouve le flux de sortie du produit.
Image 5 : Tube d’entrée à air chaud et débit de sortie du produit.
Dans la base de la sécheuse, deux plaques de 20 cm T 3/16 ont été utilisées, où 4 roulements ont été installés, 2 à l’entrée et 2 à la sortie, entre une distance de 41 cm.
Pour la source de chaleur, nous avons utilisé la résistance d’une brosse à cheveux rotative de 1000 W, qui a ensuite été installée sur le tube d’entrée à air chaud, comme le montre l’image 6.
Image 6 : Brosse rotative installée.
Puis, un capot d’extracteur a été fait avec le tube en PVC de 6” de 250mm de longueur, en utilisant 2 bouchon. pour couvrir les deux buses du tube et inséré une glacière sur le capot, ce qui à son tour, installé sur le tube de sortie d’air chaud, selon l’image 7.
Image 7 : Capot installé sur le système.
Une base MDF de 930 x 780 x 110 mm a été construite, où des trous ont été percés pour visser la sécheuse, le moteur, l’interrupteur d’alimentation et le thermomètre.
Le moteur et le réducteur ont été installés sur le côté de la sécheuse, comme le montre l’image 8.
Image 8 : Moteur (à droite) et réducteur (à gauche) installés.
Dans cette séquence, dans la poulie motrice, une couronne de 20 dents équilibrées dans le tour a été utilisée, fixée à l’axe moteur, puis le courant de 80cm a été placé.
Enfin, le moteur et le réducteur ont été recouverts d’un support MDF et toute la structure de la sécheuse a été correctement peinte.
Image 9 : Sèche-linge ronde terminée.
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
Les premier et deuxième essais ont été effectués afin de définir quel moteur serait le plus performant en termes de rotation du tambour. Initialement, le moteur choisi était le moteur de ventilateur 200w, qui, après l’avoir installé et allumé, il a été remarqué que la puissance était insuffisante pour déplacer le tambour.
Dans le deuxième essai, toujours avec la sécheuse vide, le moteur choisi était le moteur de la machine à laver de 0,5PS. Bientôt, on a remarqué que le moteur a atteint le résultat prévu qui était de déplacer le tambour, mais la vitesse avec laquelle le tambour a tourné était très élevé et cela entraverait le processus de séchage.
Dans le troisième essai, un réducteur de vitesse relié au moteur a été introduit au système pour diminuer les rotations de tambour, cependant, pour un meilleur ajustement un onduleur de fréquence a également été inséré ayant pour résultat une rotation de 30 tr/min.
Après avoir complété les éléments mécaniques du moulin, les essais ont été effectués avec des échantillons de sucre humide, plus précisément, le sucre brut, acquis par donation.
Dans ce projet, les solides sont entrés manuellement.
Lors du premier essai, 1 kg de sucre a été utilisé à une température de 81°C. Après 1 minute, 10g du produit a été enlevé pour l’analyse de l’humidité. Initialement, le sucre contenait 1,07% d’humidité et peu de temps après le processus, l’humidité est tombée à 0,15%.
Lors du deuxième essai, une plus grande quantité de sucre a été utilisée, plus précisément, 4,5 kg sous une température de 88°C pendant 30 secondes. L’analyse de l’humidité a été effectuée avec 10g du produit et on savait qu’au début la teneur en humidité était de 0,32% et après séchage, il a diminué à 0,15%, donc, il est peut être calculé la vitesse de séchage dans ce processus.
Auparavant, la zone du tambour a été calculée :
A= 2π.r.(r+h)
A= 2π.0,0635.(0,0635+0,5)
A= 0,224826507m2
Par conséquent, la vitesse de séchage est:
R= Ws.dx/A.dϴ
R= (0,010).(3,2×10-3 – 0,0015)/0,224826507.30
R= 2,52×10-6m/s
CONCLUSION
Le séchoir rotatif construit a présenté une bonne performance du point de vue du séchage du sucre, en préservant les propriétés physiques et nutritionnelles de l’aliment.
En analysant les différents essais, on a remarqué que les connaissances limitées liées à la mécanique rendaient difficile le développement de la sécheuse, puisque des dispositifs complémentaires tels que le réducteur de vitesse et l’onduleur de fréquence étaient nécessaires pour ajuster les rotations de tambour, et dans l’industrie ces dispositifs d’assistance ne sont pas nécessaires pour la fonctionnalité de la sécheuse en question.
En ce qui concerne la vitesse de séchage, la sécheuse en tant que telle s’est avérée efficace, séchant le sucre presque instantanément, compte tenu des résultats obtenus dans les calculs.
Il est à noter que l’objectif proposé a été atteint, étant donné que le sucre brut devrait contenir entre 0,10 % et 0,15 % de l’humidité, et par les analyses effectuées en laboratoire, le contenu respectif peut être trouvé.
RÉFÉRENCES
CELESTINO, SONIA MARIA COSTA. Princípios de secagem de alimentos, 1.ed. (edição online). Planaltina, DF: Embrapa Cerrados, 2010. Disponível em: https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/77765/1/doc-276.pdf. Acesso em: 07/01/2019.
FOUST, A; S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. Princípios das operações unitárias. Tradução por Horácio Macedo. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 1982.
GAVA, ALTANIR. J. Princípios de tecnologia de alimentos, 1.ed. São Paulo: Nobel, 1998.
GEANKOPOLIS, CHRISTIE. J. Transport processes and unit operations, 3.ed. New Jersey: Prentice-hall, 1993.
GOMIDE, REYNALDO. Operações unitárias, operações com sistemas sólidos granulares, 1.ed. São Paulo: Edição do autor, 1983, p.3.
Informe técnico – Parâmetros de qualidade do açúcar e amarelecimento no armazenamento. Mídia Digital. Disponível em: www.ceagesp.gov.br/wp-content/uploads/2015/01/palestra.danilo.tostes.pdf. Acesso em: 10/07/2019.
MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit operations of chemical engineering, 5.ed. Singapore: Mc Graw Hill, Inc. 1993.
MUJUMDAR, A. S. Manual de secagem industrial, 1.ed. Singapore: Taylor & Francis Group, LLC. 2006.
SINNOTT, R. K. Chemical engineering design, Coulson & Richardson’s chemical engineering series, 4.ed. Reino Unido: Elsevier Butterworth Heinemann, 2005, vol.6.
[1] Universitaire en génie chimique.
[2] Universitaire en génie chimique.
[3] Universitaire en génie chimique.
[4] Baccalauréat en chimie de l’Universidade Brasil (2012) / Academic of Chemical Engineering.
[5] Universitaire en génie chimique.
[6] Baccalauréat en chimie de l’Universidade Brasil (2012) / Academic of Chemical Engineering.
[7] Maîtrise en sciences de l’environnement; Spécialisation dans la base de la pratique d’enseignement de l’enseignant; Amélioration du Magistère; Diplôme en pédagogie; Diplôme en physique.
Soumis : août 2019.
Approuvé : septembre 2019.
