Comment dimensionner un mélangeur vertical pour de larges plages de charges afin de passer de l'échelle pilote à la production ?
Le dimensionnement d'un mélangeur vertical pour de larges plages de charges (typiquement un rapport de 1:5 à 1:10 entre le remplissage minimal et maximal) exige une considération combinée des facteurs géométrie, puissance d'entraînement, mécanique des solides en vrac et grandeurs caractéristiques de génie des procédés. Un simple agrandissement géométrique de l'échelle pilote à l'échelle de production n'y suffit pas, car la cinétique de mélange et l'apport de puissance ne se mettent pas à l'échelle de façon linéaire.
Le spectre de charges et le volume utile sont d'abord fixés, et la plage de taux de remplissage définie. Dans la pratique, des mélangeurs verticaux à cuve conique et à outil de mélange à vis ou hélicoïdal peuvent couvrir des taux de remplissage d'environ 20 % à 100 % du volume utile.
La conception doit être dimensionnée de sorte que l'effet de mélange soit assuré de façon sûre au remplissage minimal. Les critères de montée en échelle doivent être déduits de l'échelle pilote. Les grandeurs de procédé issues des essais pilotes sont transposées afin de rendre le comportement de mélange reproductible à l'échelle de production.
- Similitude géométrique : le rapport de la hauteur de cuve au diamètre (H/D) ainsi que l'angle de pas et le diamètre de l'hélice devraient rester aussi constants que possible, afin d'obtenir des conditions d'écoulement et de refoulement comparables.
- Vitesse périphérique (v_tip) : elle est déterminante pour l'apport d'énergie de cisaillement et donc pour la casse des particules et la dissolution des agglomérats. Avec des produits sensibles au cisaillement, elle est maintenue aussi semblable que possible d'une échelle à l'autre.
- Apport de puissance spécifique (P/V) : la puissance par volume est une grandeur caractéristique pour les procédés de mélange à dominante dispersive.
- Intensité de mélange spécifique (P/m) : la puissance par masse est une grandeur caractéristique de l'intensité de mélange. Avec de grands volumes, un apport de puissance spécifique légèrement réduit est souvent visé au profit de l'efficacité énergétique.
- Nombre caractéristique de temps de mélange (n·t_M) : il est le produit de la vitesse de rotation et du temps de mélange. Avec une géométrie semblable, le maintien de cette grandeur peut être une mesure d'orientation robuste.
Le dimensionnement géométrique pour de larges plages de charges
- La géométrie de la cuve présente un rapport H/D qui se situe typiquement dans la plage de 1,2 à 1,8, afin d'obtenir un bon brassage axial.
- Une partie inférieure conique avec un angle de cône d'environ 15 à 33° est usuelle.
- Pour la conception de l'outil, il faut tenir compte du fait que la vis ou l'hélice atteint le point le plus bas de la sortie, afin d'éviter les zones mortes à faible taux de remplissage.
- Le jeu de l'hélice par rapport à la paroi ne devrait être que de quelques millimètres, afin de minimiser les adhérences à la paroi et les zones mortes, sans engendrer de risques de coincement pour les particules.
- Le rapport de pas de l'hélice représente environ 20 à 30 % du diamètre de l'hélice, afin d'obtenir un rapport équilibré entre le refoulement axial et le brassage radial.
- Flexibilisation pour de larges plages : avec des rapports de charges extrêmes, des organes de mélange à plusieurs étages, des hauteurs d'outil réglables ou des inserts modulaires peuvent aider à adapter les zones de mélange à des hauteurs de remplissage différentes.
Le dimensionnement de l'entraînement et la mécanique des solides en vrac
- La pression hydrostatique au fond croît avec la hauteur de remplissage, de sorte que le couple de décollage au remplissage complet se situe nettement au-dessus du couple de fonctionnement stationnaire.
- Pour garantir un démarrage sûr en pleine charge, un entraînement piloté par variateur de fréquence avec un couple de démarrage élevé (typiquement 2,0 à 2,5 fois le couple nominal) est à privilégier.
Le temps de mélange et la qualité de mélange sur la plage de remplissage
Comportement du temps de mélange :
- À plus grande échelle, les trajets des particules s'allongent statistiquement, ce qui tend à conduire à des temps de mélange plus longs.
- Pour limiter le temps de mélange, il convient de calculer les taux de refoulement axial et radial du mélangeur et de les optimiser par la géométrie et la vitesse de rotation.
Validation de l'homogénéité : la qualité de mélange est évaluée, comme il est usuel dans la pratique, par le coefficient de variation (CV).
- Avec de larges plages de charges, une matrice d'échantillonnage est judicieuse, qui prévoit des prélèvements au remplissage minimal et maximal ainsi qu'à des positions définies (en haut, au milieu, en bas).
- Les systèmes d'échantillonnage à l'échelle de production doivent être conçus de sorte qu'ils livrent des échantillons représentatifs pendant le prélèvement, sans démélange.
Le comportement à la vidange et les quantités résiduelles
- De grands volumes de remplissage augmentent la pression de l'empilement dans la poudre, en particulier avec des solides en vrac à grain fin ou cohésifs. C'est pourquoi le diamètre de sortie et la géométrie des aides à la décharge (par exemple clapets de fond, tiroirs à segment) doivent être dimensionnés de façon critique.
- Avec de très petites charges, les quantités résiduelles en pourcentage sont nettement plus élevées. Le comportement à la vidange au remplissage minimal doit donc être vérifié de façon ciblée et, le cas échéant, optimisé par une géométrie de sortie adaptée ou des mécanismes de refoulement complémentaires.
L'échelle intermédiaire et la sécurisation pratique
Un saut direct, par exemple de 100 l de volume pilote à 5 000 l de volume de production, comporte des risques élevés. Une échelle intermédiaire (facteur 5 à 10) permet :
- la détection d'effets non linéaires tels que le démélange, la ségrégation de particules fines ou des problèmes inattendus d'évacuation de la chaleur,
- la vérification du dimensionnement de l'entraînement dans des conditions de couple réelles, au remplissage minimal et maximal,
- la sécurisation du comportement à la vidange et des quantités résiduelles sur toute la plage de charges,
- la définition de la matrice d'échantillonnage et des critères de libération avant l'investissement dans l'échelle de production.
Ainsi amixon® sécurise la montée en échelle de la halle d'essais à la production
Le principe de mélange est identique sur toutes les échelles. Peu importe quel mélangeur amixon® est utilisé : VM, HM, AM, KS, SH, AMK ou Gyraton® – tous travaillent selon le même principe. Tous les mélangeurs présentent un haut degré de congruence. C'est ce qui rend la formule universellement applicable :
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V : débit volumique de déplacement ou de refoulement
- D/d : diamètre extérieur / diamètre intérieur de l'hélice
- Φ : taux de remplissage (rapporté au volume utile)
- S : pas de l'hélice
- n : fréquence de rotation (tours par seconde)
- ζ : coefficient de vitesse (spécifique à l'outil)
Le cœur de l'approche amixon® : les mélangeurs d'essai et de production travaillent avec le même système de mélange. L'outil à ruban hélicoïdal SinConvex® transporte le produit vers le haut à la périphérie et le laisse s'écouler vers le bas au centre. Cet écoulement total tridimensionnel présente la même caractéristique indépendamment de la taille. La mise à l'échelle s'effectue par la formule de remaniement, c'est-à-dire par le débit volumique de refoulement de l'outil de mélange hélicoïdal et la fréquence de remaniement qui en découle – et non par la seule vitesse de rotation.
Une qualité de mélange indépendante du taux de remplissage
Les mélangeurs amixon® atteignent les plus hautes qualités de mélange dès un faible taux de remplissage, d'environ 10 % – le mélange aléatoire techniquement idéal, qui ne peut pas être amélioré dans la pratique. Les tailles de charge peuvent varier dans le même mélangeur, sans que l'homogénéité doive être validée à nouveau. Le moment le plus critique de la montée en échelle s'en trouve désamorcé : les premières petites charges de production dans la grande machine.
Un raster de tailles fin au lieu de sauts d'échelle
Sur demande, amixon® fabrique les tailles de mélangeur par pas de 100 litres, de 100 à 50 000 litres (VM, HM, AM). Le Gyraton® GM prend la suite de 10 à environ 100 m³ par pas de 1 m³. Le pas de l'échelle d'essai validée à la taille cible est librement choisi avec la finesse souhaitée, puisqu'il n'y a pas de saut imposé vers la taille de catalogue suivante qui viendrait rompre la similitude.
Validation avant l'investissement
En halle d'essais amixon®, 35 installations d'essai de tailles diverses sont disponibles. Les essais se déroulent avec le produit d'origine, avec des taux de remplissage réels et dans la plage de température et de pression prévue. Ils sont réalisés, évalués et documentés avec les experts amixon®. Les paramètres déterminés entrent dans le dimensionnement de la machine de production.
La fabrication à Paderborn comme fondement de la qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement dans son usine de Paderborn, avec la plus grande intégration verticale possible et tous les composants provenant d'Allemagne. En tant qu'entreprise de soudage certifiée disposant de qualifications européennes, japonaises, coréennes et américaines, amixon® construit chaque appareil en pièce unique sur la base de l'URS de l'exploitant. Le contrôle qualité reste intégralement en interne et chaque spécification est justifiable jusqu'au niveau du composant. Cette maîtrise de la fabrication garantit en même temps l'approvisionnement à long terme. Chaque composant est encore reproductible des décennies plus tard.
Un service sur l'ensemble du cycle de vie
Après la mise en service, amixon® continue de se tenir aux côtés de l'exploitant : des inspections régulières et une maintenance préventive garantissent la disponibilité, sur demande avec de la maintenance prédictive. Des pièces d'usure sélectionnées sont livrées dès la première livraison, et la plupart des pièces de rechange sont stockées sur le site de Paderborn ainsi que dans les points de service au Japon et aux États-Unis. Un service de pièces de rechange à vie est ainsi garanti – même lorsque les fournisseurs d'origine disparaissent. De nombreuses machines amixon® sont en service quotidien depuis plus de 30 ans. Grâce à la modernisation et à la mise à niveau, elles restent au dernier état de l'art.