I. Principe de fonctionnement du séchage par atomisation
Le séchage par atomisation est un procédé dans lequel des atomiseurs dispersent une charge liquide en fines gouttelettes. Le solvant s'évapore rapidement dans un milieu de séchage chaud pour former une poudre sèche. Le séchage par atomisation comprend généralement quatre étapes : a) atomisation de la charge liquide ; b) contact et mélange du brouillard avec le milieu de séchage chaud ; c) évaporation et séchage des gouttelettes ; d) séparation du produit séché du milieu de séchage.
La matière première liquide peut être une solution, une émulsion, une suspension, un liquide fondu ou une pâte ; en tout état liquide pompable. Le produit peut se présenter sous forme de poudre, de granulés, de sphères creuses ou d'agglomérats.
II. Sécheurs par pulvérisation courants. Les sécheurs par pulvérisation utilisent un atomiseur pour pulvériser un liquide dilué (par exemple, une solution dont la teneur en eau est de 75 à 85 % ou plus) en gouttelettes, dispersées dans un flux d'air chaud. L'humidité s'évapore alors rapidement, ce qui donne un produit solide. Le temps de séchage est généralement de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. L'atomiseur est l'élément clé du séchage par pulvérisation ; il existe principalement des atomiseurs centrifuges, à pression et à flux d'air.
1. Sécheur par pulvérisation à pression. Un sécheur par pulvérisation à pression utilise une pression de 2 à 20 MPa pour pulvériser un liquide filtré en fines gouttelettes. Ces gouttelettes atomisées (dont la surface spécifique est considérablement augmentée) entrent en contact direct avec l'air chaud, achevant ainsi rapidement le processus de séchage en 10 à 30 secondes. La poudre ou les granulés fins obtenus sont ensuite séparés.
2. Sécheur par pulvérisation centrifuge : L'air traverse un filtre et un réchauffeur avant d'être acheminé vers le distributeur d'air situé en haut du sécheur. L'air chaud pénètre ensuite uniformément dans le sécheur en spirale. Le liquide d'alimentation est pompé du réservoir, puis filtré, vers l'atomiseur centrifuge situé en haut du sécheur, où il est pulvérisé en gouttelettes extrêmement fines. Le liquide et l'air chaud circulent en parallèle, ce qui provoque une évaporation rapide de l'humidité et un séchage rapide du produit fini. Ce dernier est évacué par le bas de la tour de séchage et du séparateur cyclonique, tandis que les gaz d'échappement sont évacués par un ventilateur.
3. Sécheur par pulvérisation à flux d'air : Ce type de sécheur utilise principalement la pulvérisation à grande vitesse d'air ou de vapeur d'eau à partir de buses. La friction pulvérise le liquide d'alimentation en fines gouttelettes, permettant ainsi un échange thermique avec l'air chaud. L'ensemble du processus dure moins de 30 secondes. Il est particulièrement efficace pour les matériaux très visqueux et est facile à utiliser.
III. Domaines d'application des sécheurs par atomisation
1. Séchage par atomisation pour la granulation de céramiques spéciales
La mise en forme de la pièce crue avant frittage des matériaux céramiques influe directement sur les performances du produit fini. Les caractéristiques de la poudre ont une incidence majeure sur l'homogénéité de la pièce crue et sur sa densité après pressage à sec. La technologie de granulation par atomisation est largement utilisée pour la préparation de poudres céramiques spéciales. L'atomisation sous pression est couramment employée pour granuler ces poudres. Dans des conditions de procédé appropriées, la poudre obtenue présente une bonne homogénéité chimique, une finesse élevée, une bonne fluidité et une densité de compactage élevée, la rendant ainsi adaptée aux procédés de pressage à sec ou de pressage isostatique.
2. Application du séchage par atomisation aux matériaux de cathode en phosphate de fer lithié (LiFePO4) pour batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion sont principalement composées de matériaux de cathode, de matériaux d'anode, d'électrolytes et de séparateurs. Le coût et les performances des matériaux de cathode limitent le développement des batteries lithium-ion ; par conséquent, la recherche et le développement de ces matériaux sont essentiels pour stimuler les progrès technologiques dans ce domaine. Actuellement, les principaux matériaux de cathode utilisés en Chine sont l'oxyde de cobalt-lithium, l'oxyde de nickel-lithium, le phosphate de fer lithié et les matériaux ternaires. Parmi eux, le phosphate de fer lithié présente des avantages tels qu'une bonne sécurité, une longue durée de vie, une bonne stabilité thermique, une grande disponibilité des matières premières et un faible coût. Cependant, il souffre d'une faible densité apparente et d'une faible conductivité à basse température.
Procédé de préparation simplifié du matériau de cathode phosphate de fer lithié/C : LiOH et FePO₄ sont introduits dans un broyeur à billes avec de l'eau purifiée. Après broyage, une certaine quantité de source de carbone est ajoutée. Après 3 heures de broyage, la suspension est retirée et séchée par atomisation. Le séchage est effectué à des températures d'entrée et de sortie spécifiques (entrée : 200-250 °C, sortie : < 100 °C). Après séchage, le matériau est d'abord calciné à basse température pendant 2 heures dans un four sous atmosphère contrôlée, puis à haute température pendant 6 heures pour obtenir le matériau de cathode LiFePO₄/C.
Des expériences montrent que l'étape de séchage par atomisation confère une bonne sphéricité au matériau précurseur avant frittage, avec une taille de particules de 20 à 20 micromètres. Dans ces conditions, la composition chimique du matériau est relativement uniforme. Lors de la calcination, aucune transition de phase solide n'a lieu entre les particules sphériques, et la formation de grains de LiFePO₄/C est confinée à une seule particule sphérique, ce qui permet d'obtenir de petits grains de LiFePO₄/C. Ces grains fins sont bénéfiques aux propriétés électriques du LiFePO₄/C.
3. Le séchage par atomisation de la silice précipitée (également appelée noir de carbone blanc) est une matière première de renforcement importante dans l'industrie du caoutchouc. Sa microstructure et sa morphologie d'agrégation étant similaires à celles du noir de carbone, et ses propriétés de renforcement dans le caoutchouc étant comparables, on l'appelle noir de carbone blanc. Il existe deux principales méthodes de production de silice précipitée : le séchage en phase gazeuse et le séchage par précipitation. Le séchage en phase gazeuse permet d'obtenir des produits de haute pureté et de haute performance, mais il est énergivore, techniquement complexe et coûteux.
À l'inverse, le séchage par précipitation est une méthode éprouvée, simple et économique. Cependant, lors du séchage et de la déshydratation, les particules ultrafines ont tendance à s'agglomérer, ce qui affecte leurs performances. Des études ont montré que le séchage par atomisation permet de produire de la silice précipitée présentant une dispersion particulaire uniforme, une surface spécifique élevée et un fort pouvoir absorbant d'huile, conforme aux courbes de correspondance recommandées entre le pouvoir absorbant d'huile et la surface spécifique. Ce procédé la rend ainsi adaptée comme agent de renforcement pour les pneumatiques haute performance et les pneumatiques colorés.
4. Application du séchage par atomisation aux préparations pharmaceutiques
Le séchage joue un rôle crucial dans la production pharmaceutique, notamment en médecine traditionnelle chinoise. Les préparations séchées par atomisation présentent les caractéristiques suivantes :
a. Bonne uniformité du produit fini : Lors du séchage par atomisation, le liquide pharmaceutique est pulvérisé en une dispersion atomisée sous agitation continue, permettant un séchage instantané et garantissant ainsi une bonne uniformité.
b. Bonne fluidité, bonne maniabilité et bonne solubilité du produit fini : Lors du séchage par atomisation, l'eau s'évapore rapidement, ce qui permet d'obtenir des particules de petite taille, une bonne fluidité et une compression aisée. Cela garantit également un dosage plus précis lors du conditionnement fractionné. Au contact de l'eau, le principe actif pénètre plus facilement à l'intérieur des particules, facilitant ainsi leur dissolution.
c. Procédé de production simplifié : La pulvérisation permet une concentration et un séchage en une seule étape, et le temps de séchage est relativement court, ce qui est bénéfique pour préserver l'efficacité des médicaments thermosensibles.
d. Production propre : L'environnement de pulvérisation clos élimine la contamination bactérienne du médicament et réduit la pollution par les poussières dans l'atelier.
Les produits de la médecine traditionnelle chinoise exigent une propreté irréprochable et utilisent donc souvent plusieurs purificateurs d'air ; par conséquent, la pulvérisation est parfaitement adaptée au processus de séchage dans la fabrication de la médecine traditionnelle chinoise.