Quelles options existent pour le chauffage et le refroidissement pendant le procédé de mélange de systèmes de poudres réactives ?
Lors du mélange de systèmes de poudres réactives, une gestion thermique précise est déterminante pour maîtriser la cinétique de réaction, la qualité du produit et la sécurité du procédé. Selon la réactivité du système, la taille de la charge et le profil de température souhaité, différentes options techniques de chauffage et de refroidissement sont disponibles.
Systèmes à double enveloppe (chauffage et refroidissement indirects)
La méthode la plus courante est l'emploi de cuves de mélange à double paroi, dans l'enveloppe desquelles circule un fluide caloporteur.
Les fluides typiques sont :
- l'eau pour des plages de température modérées
- l'huile thermique pour des températures de procédé élevées
- la saumure ou des mélanges eau-glycol pour un refroidissement sous 0 °C
- la vapeur pour un chauffage rapide, par exemple lors d'étapes de séchage ou de stérilisation
Il est ainsi possible d'évacuer de façon fiable la chaleur de réaction exothermique comme de préchauffer de manière ciblée des composants pulvérulents, par exemple pour piloter la viscosité ou activer des réactions à l'état solide.
Outils de mélange thermorégulés et surfaces internes de transfert de chaleur
Comme le transfert de chaleur par la paroi de la cuve est limité pour de grands volumes, les arbres et les outils de mélange peuvent être exécutés creux et parcourus par un fluide de thermorégulation.
Sont en outre possibles :
- des tubes ou des plaques d'échange thermique intérieurs
- des zones de fond thermorégulées pour éviter la condensation
L'avantage de cette solution réside dans le transfert de chaleur direct au cœur du produit. Cela améliore l'homogénéité thermique, raccourcit les temps de procédé et permet d'évacuer ou d'apporter de grandes quantités de chaleur avec un taux de brassage élevé.
Chauffage électrique direct
Pour des températures extrêmement élevées, des colliers ou des tapis chauffants électriques sont mis en œuvre. Des chauffages d'accompagnement dits à basse intensité sont également employés lorsque des silos ou des tuyauteries doivent être maintenus chauds.
Cette solution est comparativement simple, peu coûteuse et convient aux applications à besoin de chaleur limité.
Balayage gazeux et thermorégulation par le gaz
Des flux de gaz thermorégulés sont conduits à travers la chambre de mélange et transfèrent la chaleur directement au lit en mouvement. Des gaz inertes préchauffés ou refroidis tels que l'azote remplissent alors deux fonctions à la fois : ils règlent le niveau de température souhaité et maintiennent la teneur en oxygène basse, ce qui est important pour la sécurité avec des poussières réactives ou explosibles. Le transfert de chaleur est plus faible qu'avec les procédés liés à une surface, mais il agit directement sur la surface des particules et se règle rapidement. C'est pourquoi la thermorégulation par le gaz est fréquemment employée en complément d'une double enveloppe ou d'une thermorégulation des outils, par exemple pour évacuer des pics de réaction ou pour extraire simultanément de l'humidité.
Refroidissement par évaporation assisté par le vide
Si le système contient de l'humidité ou du solvant, le point d'ébullition de la phase liquide peut être abaissé par l'application d'un vide.
Effet
L'évaporation de la phase liquide soustrait de la chaleur au produit (enthalpie d'évaporation ou de vaporisation). Il en résulte un refroidissement efficace et ménageant, qui convient aux produits sensibles à la température. Cette forme de refroidissement par évaporation peut servir en même temps au séchage et au réglage de la teneur en humidité résiduelle.
Refroidissement cryogénique
Pour des procédés fortement exothermiques ou des températures de procédé très basses, on recourt à l'introduction directe de fluides cryogéniques tels que l'azote liquide (LN₂) ou le CO₂ dans la chambre de mélange.
Propriétés :
- un refroidissement de choc très rapide par l'enthalpie de vaporisation
- la possibilité de maintenir en même temps le système inerte et d'augmenter ainsi la sécurité contre les explosions avec des poussières réactives
Cette méthode convient en particulier aux procédés de broyage-mélange et aux systèmes à fort pouvoir de libération de chaleur.
Chauffage par rayonnement
Plus rarement, la chaleur est apportée par des émetteurs infrarouges dirigés sur la surface du lit en mouvement. L'énergie agit sans contact et sans fluide caloporteur, mais elle n'atteint que la couche de particules la plus haute ; un brassage suffisant en est donc la condition. Le procédé est employé avant tout pour des couches minces, pour des réactions de surface sensibles et là où un circuit de fluide caloporteur doit être évité.
Critères de choix importants pour le dimensionnement du procédé
Le choix de l'option de chauffage et de refroidissement appropriée – souvent aussi d'une combinaison de plusieurs méthodes – dépend en particulier :
- de l'enthalpie de réaction et de l'énergie d'activation du système
- de la vitesse de chauffage ou de refroidissement exigée
- de la capacité thermique spécifique et de la conductivité thermique du solide en vrac
- de la sensibilité à la température des matières premières et de la fenêtre de température souhaitée
- des exigences de sécurité (par exemple ATEX, prévention de l'emballement thermique)
- de la taille de charge, de la géométrie et des surfaces de transfert de chaleur disponibles
- de considérations économiques et d'efficacité énergétique
Ainsi amixon® thermorégule pendant le mélange : chauffer et refroidir comme fonctions de procédé intégrées
amixon® combine des procédés mécaniques et thermiques dans de nombreuses installations d'essai – de l'échelle du laboratoire à l'installation pilote. Les procédés de mélange, de séchage et de réaction peuvent ainsi être étudiés de façon proche de la pratique, avec des profils de température et de pression réalistes.
Mélangeurs et sécheurs-mélangeurs thermorégulables
Les mélangeurs amixon® peuvent être exécutés avec une double enveloppe pour la thermorégulation. Exemples :
- le mélangeur à un arbre EM avec double enveloppe pour la thermorégulation et le séchage sous vide
- le mélangeur vertical à un arbre VM avec des surfaces d'enveloppe chauffantes et refroidissantes
- les réacteurs sécheurs-mélangeurs VMT et AMT, chez lesquels l'outil de mélange complet (arbre, bras, hélice de l'outil de mélange) ainsi que les trous d'homme, les organes de décharge et le filtre à vapeurs sont en outre thermorégulables
Comme fluides caloporteurs, l'eau, la vapeur ou l'huile thermique sont mis en œuvre. Le chauffage et le refroidissement s'effectuent par le même système de thermorégulation, ce qui simplifie la planification et l'exploitation.
Pourquoi la surface d'échange thermique est déterminante
Dans les lits de poudre, le transport de la chaleur est fréquemment le facteur limitant. amixon® répond à ce goulot d'étranglement de deux façons :
- de grandes surfaces d'échange thermique spécifiques, grâce à la double enveloppe et à un outil de mélange intégralement thermorégulable
- un écoulement total intensif, produit par l'hélice de l'outil de mélange SinConcave®/SinConvex®, qui amène en continu du produit frais sur les surfaces thermorégulées
Le transfert de chaleur et l'échange de matière se déroulent ainsi rapidement et efficacement, même dans de grands appareils. Un exemple en sont les réacteurs coniques aux volumes utiles atteignant plusieurs dizaines de mètres cubes, dont les surfaces en contact avec le produit sont intégralement thermorégulables.
Applications typiques de la thermorégulation
- Maintenir les matières grasses au-dessus du point de fusion (incorporation de graisses sans grumeaux, fontes de graisse définies)
- Refroidir des systèmes réactifs et limiter les pics de température
- Conduire des procédés de cristallisation et de conditionnement avec des profils de température définis
- Accélérer le séchage sous vide à de faibles températures de produit
Les profils de température et de temps sont enregistrés comme programmes de mélange dans l'automate et sont ainsi reproductibles charge par charge. Les évolutions du couple et de la température soutiennent la détection du point final et facilitent la conduite du procédé.
Le dimensionnement de grands sécheurs-mélangeurs sous vide
Pour de grands sécheurs-mélangeurs sous vide, une simple estimation du transfert de chaleur ne suffit pas. amixon® combine des essais en halle d'essais avec des calculs thermodynamiques afin d'établir des concepts de montée en échelle sûrs – même lorsque l'installation cible est 50 à 80 fois plus grande que l'installation d'essai. L'article de blog « amixon® aide au dimensionnement de grandes installations de séchage-mélange sous vide » décrit comment la capacité d'évaporation, les surfaces d'échange thermique nécessaires, la puissance de chauffage et de refroidissement ainsi que le dimensionnement du condenseur et du filtre à vapeurs sont déduits des données d'essai.
Mise à niveau et sécurisation en génie des procédés
Chaque appareil amixon® est une pièce unique sur la base de l'URS de l'exploitant. L'étendue de la thermorégulation et les puissances de raccordement sont dimensionnées spécifiquement pour chaque projet. Les installations existantes peuvent être renforcées ou étendues sur le plan thermique dans le cadre d'une modernisation ou d'une mise à niveau. Le comportement thermique du produit est vérifié au préalable en halle d'essais, dans la plage de température et de pression prévue.
Qualifiable et documenté
Pour les environnements réglementés, amixon® livre des installations qualifiables avec un contrôle qualité sans lacune. amixon® soutient les exploitants lors des DQ, IQ et OQ ; la documentation et l'exécution suivent, sur demande, les BPF européennes et à la FDA 21 CFR Part 11. Sur demande, les appareils satisfont à des standards supplémentaires tels que l'EHEDG, les directives d'hygiène de la FDA, les 3-A Sanitary Standards, l'USDA, les BPF, l'ATEX et l'ASME et sont intégrés au concept de validation de l'exploitant, de l'URS jusqu'à la mise en service.
La fabrication à Paderborn comme fondement de la qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement dans son usine de Paderborn – avec une intégration verticale élevée et des composants provenant majoritairement d'Allemagne. En tant qu'entreprise de soudage certifiée disposant de qualifications européennes, japonaises, coréennes et américaines, amixon® conçoit chaque appareil en pièce unique. Le contrôle qualité reste intégralement en interne, et les spécifications sont documentées jusqu'au niveau du composant. Cette maîtrise de la fabrication assure l'approvisionnement à long terme : chaque composant peut être refabriqué de façon reproductible, même après des décennies.