Dans quelle mesure peut-on économiser du temps de procédé et de l'énergie avec des mélangeurs-sécheurs coniques modernes ?
Les mélangeurs-sécheurs coniques modernes peuvent économiser du temps de procédé et de l'énergie surtout lorsqu'ils amènent le produit en continu vers de grandes surfaces de contact thermorégulées, sèchent sous vide à basse température et réunissent plusieurs étapes de procédé dans un appareil fermé. Des valeurs en pourcentage solides ne peuvent toutefois pas être données de façon générale : elles dépendent fortement du produit, du solvant, de l'humidité résiduelle initiale et cible, du niveau de vide, de la condensation, du taux de remplissage, de la surface de transfert de chaleur et de la méthode de comparaison.
Des temps de procédé plus courts
Le principal gain de temps résulte de l'amélioration du transfert de chaleur et de matière. Dans un mélangeur-sécheur conique moderne, le produit n'est pas chauffé de façon statique, mais brassé en continu. Le matériau humide est ainsi amené de façon répétée vers la paroi thermorégulée de la cuve et, le cas échéant, vers l'arbre, les bras ou l'hélice thermorégulables. La surface de contact est renouvelée en continu. Les dépôts de produit isolants, les poches humides et les différences de température locales peuvent ainsi être réduits.
Il en résulte une évaporation plus uniforme. Le vide abaisse le point d'ébullition de l'eau ou des solvants, de sorte que l'évaporation peut commencer à une température de produit plus basse. Pour les produits sensibles, il n'est donc pas nécessaire de travailler avec une température d'enveloppe inutilement élevée. Les sécheurs à contact conique sous vide sont utilisés précisément pour les produits sensibles à la chaleur et aux solvants, en raison de la combinaison de transfert de chaleur indirect, de recirculation du produit et de fonctionnement à basse température.
Un autre gain de temps résulte de la maîtrise des transitions rhéologiques. De nombreux produits évoluent, lors du séchage, d'une suspension à une poudre sèche, en passant par une phase visqueuse ou pâteuse. C'est précisément dans la phase intermédiaire collante que l'évaporation peut fortement ralentir dans les sécheurs statiques, car de gros grumeaux ou des zones de produit mal réchauffées se forment. Un outil de mélange maintient la masse en mouvement et renouvelle les surfaces de contact. Si nécessaire, un étage de désagglomération peut fragmenter les grumeaux de façon ciblée. Cela améliore l'accès de la chaleur et du vide à la surface de produit humide et évite que le procédé ne soit déterminé par des agglomérats compacts isolés.
Le cycle global devient en outre plus court lorsque le mélange, la réaction, la cristallisation, l'évaporation, le séchage, le refroidissement et, le cas échéant, l'homogénéisation ont lieu dans le même appareil. Chaque transfert supprimé fait gagner non seulement du temps de vidange et de chargement, mais aussi du temps d'attente, de nettoyage, de réinertage, de stockage intermédiaire et de retouches potentielles. Pour les produits à exigences strictes de confinement ou d'humidité, cet effet peut être plus important que la seule réduction du temps d'évaporation.
Un point final de séchage fiable peut lui aussi faire gagner du temps. Lorsque la température, la pression, le débit de condensat, l'humidité du produit ou un signal PAT approprié sont surveillés en continu, la charge peut être arrêtée dès que l'humidité résiduelle cible est atteinte. Sans concept de point final solide, un surséchage est souvent pratiqué pour des raisons de sécurité. Cela augmente à la fois le temps de cycle et la consommation d'énergie. Des études industrielles sur le séchage sous vide soulignent qu'une détermination appropriée du point final et une surveillance du procédé constituent des leviers essentiels pour réduire la consommation d'énergie et la durée de cycle.
Un besoin énergétique plus faible
Lors du séchage sous vide, l'énergie est nécessaire essentiellement pour l'évaporation du solvant, les pertes thermiques du système, l'entraînement de l'outil de mélange, la production du vide, la condensation et, le cas échéant, le refroidissement. Un mélangeur-sécheur conique n'économise pas l'enthalpie de vaporisation physiquement nécessaire. Les économies résultent plutôt du fait que moins de pertes surviennent, que l'apport de chaleur s'effectue plus efficacement et qu'un temps de procédé inutile est évité.
La clé, du point de vue de l'appareil, est le séchage par contact indirect. La chaleur est introduite dans le produit via la paroi thermorégulée de la cuve et, le cas échéant, via des outils de mélange internes chauffés. Comme le produit à mélanger touche ces surfaces en continu, la chaleur nécessaire peut être transférée avec un écart de température modéré. De grandes surfaces de transfert de chaleur activement mouillées améliorent la performance de séchage et peuvent réduire la température d'enveloppe requise. Cela diminue les pertes thermiques et protège en même temps les produits sensibles à la température. Pour les sécheurs sous vide coniques, des coefficients de transfert de chaleur sont mentionnés, se situant, selon le produit et l'état de fonctionnement, dans une très large plage d'environ 50 à 2 000 W/(m²·K) ; cette large étendue montre à quel point le mouvement du produit et la rhéologie sont déterminants pour le besoin énergétique réel.
Le vide permet un séchage à température plus basse. Les principes actifs sensibles, les produits chimiques fins et les poudres spéciales peuvent ainsi être traités de façon plus ménageante. Dans les cas favorables, une chaleur basse température peut en outre être exploitée, par exemple de l'eau chaude, de la chaleur de procédé récupérée ou un circuit d'huile thermique basse température. Les sécheurs sous vide sont donc particulièrement attrayants lorsque la qualité du produit souffrirait à haute température, ou lorsqu'une source de chaleur basse température appropriée est déjà disponible.
L'énergie d'entraînement de l'outil de mélange reste, dans de nombreuses applications, comparativement faible sur les systèmes coniques, car le mouvement du produit s'effectue principalement par une recirculation contrôlée à faible vitesse de rotation. Elle n'est toutefois pas négligeable – en particulier pas pendant les phases intermédiaires pâteuses. Des variateurs de fréquence et une vitesse de rotation adaptée à l'état du procédé peuvent aider à n'augmenter l'intensité de mélange que lorsqu'elle est réellement nécessaire pour le transfert de chaleur ou la désagglomération. Pour une installation concrète, il conviendrait donc de bilanciser non seulement les kWh par charge, mais aussi les kWh par kilogramme de solvant évaporé, le temps de fonctionnement de l'outil de mélange, le besoin énergétique spécifique du vide et la capacité du condenseur.
La récupération du solvant n'améliore pas nécessairement l'efficacité thermodynamique du séchage, mais peut réduire nettement l'empreinte énergétique et de coût globale. Dans les systèmes sous vide fermés, les vapeurs sont acheminées via des condenseurs. Les solvants récupérés n'ont pas besoin d'être rachetés, transportés et éliminés, ou seulement dans une moindre mesure. Les émissions de COV diminuent en même temps. Les sécheurs sous vide coniques fermés, à chauffage indirect, sont donc utilisés pour les produits dangereux, toxiques ou contenant des solvants et peuvent permettre une récupération poussée du solvant.
Leviers d'économie supplémentaires
Les économies pertinentes sur le plan économique vont au-delà du compteur d'énergie. Une cuve conique vidangeable de façon quasi complète réduit les pertes de produit et raccourcit le délai jusqu'à la charge suivante. Pour les principes actifs ou produits chimiques fins de grande valeur, une quantité résiduelle réduite au fond de l'appareil peut avoir un effet économique plus important qu'une économie modérée d'énergie de chauffage.
Une bonne aptitude au nettoyage réduit le temps de changement de format, les agents de nettoyage, le temps de séchage après CIP et le risque de ne pas pouvoir libérer une charge en raison d'une contamination croisée ou de résidus. Dans les installations multiproduits, les plus grands gains d'OEE peuvent donc résulter de temps de changement plus courts et de moins de retouches, et pas seulement d'une phase d'évaporation plus courte.
La conduite de procédé intégrée réduit en outre le nombre de pompes, de dispositifs de convoyage, de cuves intermédiaires, de raccords de filtre et d'opérations de transvasement. Cela diminue les consommations électriques annexes et l'effort en personnel. En même temps, le risque de pertes de poussière, d'absorption d'humidité, d'oxydation et de contamination peut diminuer. Ces facteurs sont particulièrement importants pour les produits de grande valeur ou hygroscopiques.
Évaluer correctement les économies
Des affirmations générales telles que « séchage 30 à 60 % plus court » ou « 20 à 40 % d'énergie en moins » ne sont pas solides sans procédé de référence. Les valeurs de comparaison peuvent varier fortement, car une étuve sous vide, une cuve statique, un sécheur à pales ou un mélangeur-sécheur conique existant, par exemple, diffèrent considérablement en termes de surface de transfert de chaleur, de taux de remplissage, de vide, de condensation, de fluide de chauffage et de temps annexes de cycle. Dans une étude de laboratoire publiée, un sécheur à vis conique a atteint le taux de séchage le plus élevé dans les conditions étudiées, mais une attrition et une agglomération ont également été observées – une indication que le gain de temps et le ménagement du produit doivent toujours être évalués ensemble.
Une évaluation solide compare donc le cycle de charge complet et pas seulement le temps jusqu'à l'humidité résiduelle cible. Doivent être relevés :
Le chargement, le chauffage, la mise sous vide, l'évaporation, le post-chauffage et le refroidissement, la remise à l'air, la vidange et le nettoyage.
Les kilogrammes d'eau ou de solvant évaporés par charge.
Les kWh pour le fluide de chauffage ou de refroidissement, l'entraînement du mélangeur, la pompe à vide, la condensation et les équipements annexes.
Les pertes thermiques au niveau de la cuve, des tuyauteries et du système de condensation.
L'humidité résiduelle cible, le solvant résiduel, l'homogénéité, la distribution granulométrique et le rendement en produit.
Le taux de récupération du solvant ainsi que les coûts de solvant neuf et d'élimination.
La durée de nettoyage, les pertes de changement de format, la vidange résiduelle et le nombre de charges non libérables.
À partir de ces données, des indicateurs tels que les kWh/kg de solvant évaporé, les kg de produit par heure, le temps de cycle total, le rendement et le coût par kilogramme de produit libéré peuvent être établis. Ce n'est qu'alors qu'il est possible d'évaluer sérieusement si un mélangeur-sécheur conique moderne constitue la solution économiquement meilleure.
Ainsi amixon® évalue l'efficacité énergétique, le TCO (Total Cost of Ownership (coûts totaux de possession) et l'amortissement d'un mélangeur industriel
La rentabilité d'un mélangeur ou d'un sécheur-mélangeur sous vide ne se décide pas uniquement sur sa puissance électrique absorbée. Sont déterminants le besoin énergétique, la durée de mélange et de séchage, le transfert de chaleur, la perte de produit, la vidange résiduelle, les temps de nettoyage et de changement, la maintenance ainsi que la durée d'utilisation réellement atteignable. amixon® évalue ces facteurs en tant que Total Cost of Ownership sur l'ensemble du cycle de vie et détermine les valeurs caractéristiques décisives à l'aide d'essais avec le produit d'origine.
Les postes de coûts pertinents
Sur une période d'observation de dix ans par exemple, cinq postes de coûts déterminent la rentabilité : l'énergie, la perte de produit, les temps de nettoyage et de changement, la maintenance et les pièces de rechange ainsi que l'amortissement sur la durée d'utilisation réelle. Ces facteurs sont étroitement liés entre eux. Une installation à faible puissance raccordée n'est pas automatiquement économique si elle nécessite de longues durées de mélange ou de séchage, si des quantités de produit significatives restent dans la chambre de mélange après chaque charge, ou si les changements de produit sont laborieux.
Le besoin énergétique spécifique ne peut pas être indiqué sérieusement comme une valeur de catalogue générale en kilowattheures par tonne. Il dépend de la recette, de la taille de charge, du taux de remplissage, de la teneur en humidité et en solvant, du niveau de vide, de la température, de la surface de transfert de chaleur, des pertes thermiques, de la durée de mélange, de la vitesse de rotation, de la rhéologie, du besoin de désagglomération et de l'humidité résiduelle cible. Pour un sécheur-mélangeur s'ajoutent le fluide de chauffage et de refroidissement, la production du vide, la condensation, la filtration des vapeurs et, le cas échéant, l'inertage. amixon® détermine donc les données pertinentes en halle d'essais avec le produit d'origine et dans des conditions de procédé réalistes.
Énergie et transfert de chaleur
Les mélangeurs amixon® fonctionnent avec une recirculation tridimensionnelle contrôlée du produit et des vitesses périphériques d'outil comparativement faibles, à partir d'environ 0,8 m/s. L'apport d'énergie ne s'effectue pas principalement par des vitesses de rotation élevées, des mouvements de projection ou une forte sollicitation par impact, mais par des cycles de produit récurrents. Cela limite l'apport d'énergie mécanique et favorise un traitement ménageant pour le produit.
Des durées de mélange courtes et reproductibles réduisent l'énergie par charge et augmentent le débit par puissance installée. Sur le mélangeur à deux arbres HM, les flux de produit se superposent et favorisent une répartition rapide dans l'ensemble du volume de charge. Sur le mélangeur conique KS, l'homogénéité requise peut être atteinte, selon la recette, le taux de remplissage et la qualité de mélange cible, dès après quelques tours d'outil. Ce qui est déterminant n'est pas la durée de mélange théoriquement la plus courte, mais une fenêtre de procédé robuste dans laquelle la qualité cible est atteinte durablement et de façon reproductible.
Sur les sécheurs-mélangeurs sous vide et réacteurs coniques amixon®, l'hélice de mélange SinConcave®/SinConvex® peut fournir des surfaces de transfert de chaleur particulièrement grandes. Outre la chambre de mélange à double paroi thermorégulable, l'arbre, les bras de mélange et l'hélice de mélange peuvent être réalisés thermorégulables. Ces surfaces s'étendent profondément dans le volume de produit et complètent le transfert de chaleur assuré par l'enveloppe de la cuve.
Leur efficacité repose sur le fait qu'elles sont touchées en continu par le produit à mélanger. La recirculation tridimensionnelle du produit soulève le produit près de la paroi, le fait redescendre au centre et le remet à plusieurs reprises en contact avec la paroi de la cuve, l'arbre, les bras et l'hélice de mélange. Le contact avec les surfaces thermorégulées est constamment renouvelé. Le transfert de chaleur et de matière peut ainsi s'effectuer efficacement lors du séchage sous vide, sans que le produit ne soit exposé à des températures ou des vitesses de rotation inutilement élevées.
Le vide abaisse le point d'ébullition de l'eau et des solvants. Le séchage peut ainsi s'effectuer à des températures de produit plus basses, ce qui protège les principes actifs sensibles, les produits chimiques fins, les produits cristallins, les micro-organismes, les pigments ou les poudres spéciales. Les économies ne résultent pas de la suppression de l'énergie de vaporisation nécessaire, mais de la réduction des pertes thermiques, des surtempératures inutiles, des durées de mélange improductives et des cycles de séchage excessivement longs.
Vidange résiduelle et temps de changement
La vidange résiduelle est un paramètre d'efficacité central, souvent sous-estimé. Toute quantité de produit subsistant dans le mélangeur après l'évacuation entraîne une perte de produit, un effort de nettoyage supplémentaire, un risque de report, ou plusieurs de ces inconvénients à la fois. Pour les principes actifs de grande valeur, les produits chimiques spéciaux, les ingrédients alimentaires coûteux ou les additifs fonctionnels, une vidange résiduelle poussée peut être économiquement plus importante que l'économie de quelques kilowattheures.
Les systèmes de mélange amixon® peuvent permettre, selon la forme de construction et les propriétés du produit, une vidange résiduelle très poussée. Pour les gammes AM et KS, des taux de vidange allant jusqu'à environ 99,98 % sont mentionnés, et jusqu'à environ 99,99 % pour les concepts d'évacuation ComDisc®. De telles valeurs sont des valeurs cibles constructives, et non une garantie générale pour chaque recette. Le taux de vidange réellement atteignable dépend de la taille des particules, de la masse volumique apparente, de l'humidité, du caractère collant, de la charge électrostatique, de l'état de surface, de l'adhérence du produit et du concept d'évacuation. Il doit donc être vérifié avec le produit d'origine.
L'hélice de mélange SinConcave®/SinConvex® favorise, outre le transfert de chaleur et la qualité de mélange, également la vidange résiduelle poussée. Elle déplace le produit de façon contrôlée à travers l'ensemble de la chambre de mélange et le transporte, selon la géométrie de la cuve, vers la zone d'évacuation. Sur les appareils coniques, la gravité apporte un soutien supplémentaire. Une bonne vidange réduit l'effort de nettoyage, diminue la consommation d'agents de rinçage ou de nettoyage, raccourcit le délai jusqu'à la charge suivante et diminue le risque de contamination croisée.
Des chambres de mélange et des ouvertures d'inspection à faible espace mort et bien accessibles raccourcissent en outre le temps de nettoyage et de changement. Cela augmente la disponibilité productive de l'installation. Dans les installations multiproduits en particulier, chaque changement de produit raccourci améliore l'Overall Equipment Effectiveness et augmente la quantité de produit libéré pouvant être produite annuellement.
Maintenance et durée d'utilisation
Les coûts de maintenance sont influencés par la construction, la vitesse de rotation, le concept d'étanchéité, l'abrasivité du produit, la fréquence de nettoyage et l'accessibilité. Un outil de mélange monté uniquement en partie haute évite un passage d'arbre inférieur dans la zone produit. Cela réduit le nombre de points d'étanchéité et de paliers critiques. La conduite à faible vitesse limite en outre l'usure de l'outil de mélange, des paliers et des surfaces en contact avec le produit.
Une longue durée d'utilisation réelle améliore considérablement la rentabilité. Lorsqu'un appareil peut être exploité de façon fiable pendant de nombreuses années grâce à la maintenance préventive, à la disponibilité des pièces de rechange, à la modernisation ou au retrofit, l'investissement se répartit sur un plus grand nombre de charges. amixon® rapporte que de nombreuses machines sont en service quotidien depuis plus de 30 ans. La durée d'utilisation concrète reste toutefois dépendante du produit et du procédé : des substances abrasives, des milieux agressifs, de forts cycles de température, un nettoyage humide fréquent ou des cycles de charge élevés peuvent accélérer l'usure de certains composants.
L'approvisionnement à long terme en pièces de rechange et la capacité documentée de refabrication de composants spécifiques au client favorisent une exploitation planifiable à long terme. Pour une analyse TCO réaliste, les intervalles de maintenance, les coûts de garnitures, les coûts de paliers, l'effort de nettoyage et la disponibilité d'installation attendue devraient néanmoins être pris en compte.
Montée en échelle avec le produit d'origine
amixon® peut apporter à ses clients un soutien technique et professionnel pour la transposition des essais de laboratoire et pilotes vers de grandes installations de sécheur-mélangeur sous vide. Une montée en échelle pour les procédés thermiques ne peut pas être déduite uniquement de similitudes géométriques. Lorsqu'une installation de production est nettement plus grande que le sécheur de la halle d'essais, les surfaces de transfert de chaleur activement mouillées, la hauteur de remplissage, la masse thermique, les pertes thermiques, la charge du condenseur, le débit volumique des vapeurs, la charge du filtre et l'alimentation en fluide caloporteur évoluent notamment.
amixon® réalise donc des essais de séchage et de réaction avec le produit d'origine et enregistre de façon complète les données de procédé pertinentes. En font partie par exemple l'évolution de la pression et du vide, la température de produit, les températures de départ et de retour du fluide de chauffage ou de refroidissement, la quantité de condensat, le débit de condensat, la vitesse de rotation de l'outil de mélange, le couple, le taux de remplissage, le comportement du produit et le temps de procédé. Sur cette base, amixon® peut déterminer la surface de transfert de chaleur requise, la conduite de température, la technique de vide, le filtre à buées, le condenseur, la puissance de chauffage et de refroidissement, le dimensionnement de l'outil de mélange ainsi que la taille appropriée pour l'installation industrielle cible.
Les données de mesure issues du séchage sont combinées avec le savoir-faire en génie des procédés et des calculs thermodynamiques. La performance d'une grande installation de production peut ainsi être estimée au préalable et fixée sur le plan constructif. La surface de transfert de chaleur active n'est pas déduite uniquement de la géométrie de la cuve. Le contact du produit avec les outils de mélange thermorégulables est également pris en compte pour différents taux de remplissage. Cela est important, car la surface de transfert de chaleur effective peut évoluer pendant le séchage en raison de la diminution du taux de remplissage et de l'évolution des propriétés du produit.
amixon® peut ensuite mettre en œuvre, sur le plan constructif et de fabrication, les caractéristiques d'appareil définies sur la base des essais. En font partie la géométrie de la cuve, la taille, l'outil de mélange, l'arbre thermorégulable, les bras de mélange et l'hélice de mélange, les surfaces de transfert de chaleur, la réserve de couple, les rotors de coupe, le système de vide, le filtre à buées, le condenseur, le choix des matériaux, le concept d'étanchéité, l'organe d'évacuation, le système de nettoyage, l'instrumentation et l'automatisation. L'installation n'est pas seulement dimensionnée théoriquement, mais adaptée aux conditions de procédé observées lors de l'essai.
L'objectif de cette démarche est que le client puisse produire rapidement, après achèvement et mise en service, avec la qualité de produit prévue. L'installation ne devrait pas devoir être « rodée » seulement en exploitation de production, par des ajustements ultérieurs, des réserves de performance floues ou des problèmes de procédé évitables. L'essai en halle d'essais réduit ce risque, car les phases de procédé critiques – par exemple le chauffage, la phase de forte évaporation, les transitions rhéologiques, l'atteinte de l'humidité résiduelle cible, le refroidissement, la vidange et le nettoyage – sont étudiées et documentées avant l'investissement.
Des informations complémentaires sur la transposition des données d'essai aux grandes installations de production sont proposées par amixon® dans l'article « amixon® aide au dimensionnement de grandes installations de sécheur-mélangeur sous vide ».
Les essais comme base de décision
Avant un investissement, les hypothèses techniques et économiques devraient être vérifiées avec le produit d'origine. Dans la halle d'essais amixon® au siège de Paderborn, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles. Des centres techniques complémentaires existent au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les essais peuvent être réalisés avec des taux de remplissage réalistes, des tailles de charge ainsi que les conditions de température, de pression et de vide prévues.
Sont évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, le transfert de chaleur, la cinétique de séchage, le profil de température, l'évolution du vide, le débit de condensat, la vidange résiduelle, l'aptitude au nettoyage, le temps de changement et la reproductibilité. Les résultats sont documentés et constituent la base pour le dimensionnement de l'installation de production ainsi que pour les calculs de TCO, de ROI et d'amortissement. Les recettes, les résultats d'essais et les données de procédé élaborées en commun sont traités de façon confidentielle.