Le procédé de séchage thermique d’INEOS ChlorVinyls FRANCE comprend quatre lignes de production identiques. Dans chaque ligne, le séchage est réalisé par deux séchoirs convec- tifs installés en série :
– un séchoir pneumatique, permettant d’éliminer la majeure partie de l’humidité contenue dans les particules de PVC,
– et, un séchoir à lit fluidisé, permettant d’uniformiser le traitement thermique subi par les particules, et de finaliser le séchage.
L’étude présentée dans ce chapitre est réalisée sur une seule ligne de production, mais les résultats obtenus sont directement transférables aux autres lignes.
L’ensemble du procédé de séchage thermique (c’est à dire les différents séchoirs, les pré- chauffeurs, les organes de séparations, et les appareils constituant le circuit du solide) est représenté sur la Figure 7.1.
7.1.1 Fonctionnement du séchoir pneumatique :
Le rôle de ce séchoir est d’éliminer la majorité de l’humidité contenue dans les particules
de PVC, tout en conservant la température des particules inférieure à 70◦C, température
de dégradation du PVC.
Le cake, obtenu suite à l’étape de centrifugation, est introduit en continu dans le séchoir pneumatique grâce à un tapis vibrant et une vis sans fin. Il faut préciser que ce système d’alimentation conduit à une injection intermittente du cake dans le séchoir. Le cake est entraîné le long du séchoir par un important flux d’air (environ 54 t/h) chauffé entre 180
Entrée 2de2cake Entrée 2air2séchoi r2pneum atique Sortie 2dyair2ver s2chemin ée Sortie 2dyair2ver s2chemin ée Sortie 2PVC2sec Entrée 2air2amb iant Lit2fluidisé Entrée 2air2chaud Séchoi r2à2lit2fluidisé 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Système2dy alime ntation2du2cake2:2tapis2vibr ant2T2vis2sans2fin Système2de 2récupér ation2du2P VC2sec:2trémi e2T2tapis2vibran t Séchoi r2pneum atique Préch auffeur2du2séch oir2pne umatiqu e Cyclones2du 2séchoir2pn eumatiq ue Séchoi r2à2lit2fluidisé Préch auffeur2du2séch oir2à2lit2fluid isé Cyclone2du 2séchoir2à2li t2fluidisé TR T
particules de PVC sont séparées de l’air par deux séparateurs cycloniques installés en série. L’air est alors envoyé vers des cheminées, tandis que le PVC quasi-sec est dirigé vers le séchoir à lit fluidisé.
Comme remarqué lors de l’étude expérimentale, le cake est une poudre très cohésive, et la dispersion des particules a un rôle prépondérant sur la cinétique de séchage. Afin de maximiser cette dispersion, c’est à dire de casser les liaisons entre les particules, de fortes vitesses d’air (environ 50 m/s) sont imposées à la base du séchoir (dans la zone d’injection du cake).
La circulation de l’air à travers le séchoir pneumatique est assurée par le biais de deux ventilateurs :
– un ventilateur "pousseur" installé en amont du préchauffeur, – et, un ventilateur "tireur", installé en aval des cyclones.
La chauffe du courant d’air est réalisée par un préchauffeur, qui peut être de deux types (Figure 7.2) :
– Une batterie d’échangeurs, alimentée par le liquide sortant de la centrifugeuse d’une part et de la vapeur d’eau à 16 bars d’autre part (Figure 7.2(a)), appelée "Configuration vapeur". Les différents échangeurs constituant la batterie de chauffe sont des échangeurs multi-tubulaires et multi-passes. L’air de séchage est d’abord légèrement réchauffé par
l’échangeur à eaux de centrifugeuses (dont la température d’entrée est d’environ 55◦C).
L’air traverse ensuite un échangeur de chaleur alimenté par des condensats. Ces conden- sats proviennent des trois condenseurs, constituant les derniers éléments de la batterie de chauffe. Ces condenseurs sont alimentés par de la vapeur d’eau à 16 bars dont le débit est imposé par le système de régulation du séchoir.
– Un échangeur à contact direct, appelé "Configuration brûleur", réalisant le chauffage direct du flux d’air (Figure 7.2(b)). Dans cette configuration, la combustion in-situ du gaz naturel, dont le débit est aussi imposé par le système de régulation du séchoir, permet de réaliser l’échauffement du gaz caloporteur, constitué de l’air et des fumées provenant de la combustion du gaz naturel. Cette configuration du préchauffeur permet d’atteindre des températures d’air supérieures à celles atteintes par la batterie de chauffe.
En ce qui concerne le système de régulation du séchoir, la température d’entrée du gaz caloporteur, dépendant du débit d’utilité à apporter (débit de vapeur ou de gaz naturel), est initialement régulée en respectant une consigne imposée sur la température du gaz en sortie de séchoir (indiqué par le symbole T sur la Figure 7.1). Cependant, l’étude présentée dans la suite de ce chapitre a montré qu’il était plus judicieux de contrôler le débit d’utilité par la mesure du point de rosée du gaz en sortie des cyclones (indiqué par le symbole TR sur la Figure 7.1). En prenant comme consigne une température légèrement
supérieure au point de rosée (entre 4 et 7◦C), il est possible d’utiliser pleinement le potentiel
d’évaporation du gaz caloporteur, et donc de réduire la consommation énergétique, tout en gardant une sécurité pour éviter la condensation de l’humidité de l’air.
7.1.2 Fonctionnement du séchoir à lit fluidisé :
La géométrie et les conditions opératoires (fort débit d’air et alimentation intermittente du solide) du séchoir pneumatique entraînent une distribution des temps de séjour des
(a) Configuration vapeur
(b) Configuration bruleur
Figure 7.2 – Les différentes configurations du préchauffeur d’air du séchoir pneumatique. particules de PVC. Ceci conduit à la non uniformité de l’humidité et de la température du produit en sortie de séchoir. Le rôle du séchoir à lit fluidisé est donc d’uniformiser la qualité du traitement des particules de PVC d’une part, et de respecter les normes requises d’humidité d’autre part.
Le séchoir à lit fluidisé (Figure 7.3) est construit comme un lit fluidisé en bande, enroulé en spirale. Les particules de PVC, introduites au centre du lit, progressent vers la périphérie du séchoir. Une fois sèches, les particules sortent du lit par débordement. L’air sortant du séchoir est envoyé vers un cyclone pour récupérer les fines particules éventuellement entraînées, et ensuite vers la cheminée. L’ensemble des particules est alors récupéré par une trémie avant d’être dirigé vers les différents stocks par le biais d’un tapis vibrant et d’un système de transport pneumatique.
Le séchoir comporte deux alimentations différentes pour l’air de fluidisation :
– une alimentation d’air chaud au centre du lit (c’est à dire au début du passage des particules), permettant de finaliser le séchage,
– et une alimentation d’air ambiant en périphérie, pour refroidir et stabiliser le produit. A l’instar du séchoir pneumatique, la circulation d’air est assurée par différents ventila- teurs :
– un ventilateur "pousseur" au niveau de chaque alimentation d’air, – et, un ventilateur "tireur" placé en aval du cyclone.
Le préchauffage de l’air chaud est réalisé par une batterie de chauffe, similaire à celle présentée pour le séchoir pneumatique, si ce n’est qu’elle ne comporte pas d’échangeur à eaux de centrifugation.
Les données géométriques et opératoires des deux séchoirs sont résumées dans le Tableau 7.1.
Entrée de PVC humide
Sortir d'air vers cyclone
Entrée d'air ambiant
Entrée d'air chaud
Sortie de PVC sec
Figure 7.3 – Principe de fonctionnement du séchoir à lit fluidisé.
Tableau 7.1 – Données géométriques et opératoires des séchoirs pneumatique et à lit fluidisé
Séchoir pneumatique Séchoir à lit fluidisé
Diamètre (m) 1,6 5,5
Diamètre d’alimentation (m) 0,7 ∅
Hauteur (m) 22 1,9
Débit d’air chaud (kg · h−1) 54 000 8 000
Débit d’air ambiant (kg · h−1) ∅ 500
Au vu des paramètres opératoires, il est facile de comprendre que ce procédé de séchage est très énergivore, notamment le séchoir pneumatique. En effet, dans les conditions actuelles, la puissance à apporter aux préchauffeurs pour amener les flux d’air à leur température d’entrée est d’environ 2400 kW pour le séchoir pneumatique et seulement d’environ 90 kW pour le séchoir à lit fluidisé. Ainsi, l’étude menant à l’optimisation du procédé se focalisera sur le séchoir pneumatique.