Comment évaluer l'efficacité énergétique, la durabilité et la longévité lors du choix d'une installation de mélange ?
Lors du choix d'une installation de mélange, l'efficacité énergétique, la durabilité et la longévité ne devraient pas être évaluées séparément, mais comme des critères de décision liés entre eux. Une installation économe en énergie n'est pas automatiquement durable si elle provoque des pertes de produit élevées, nécessite beaucoup de milieu de nettoyage ou ne peut être exploitée qu'avec un effort de maintenance élevé. Inversement, une installation robuste et durable peut être avantageuse économiquement et écologiquement malgré des coûts d'acquisition plus élevés, si elle fonctionne de façon fiable pendant de nombreuses années, se modernise bien et occasionne de faibles coûts d'arrêt et de pièces de rechange. L'évaluation devrait donc se fonder sur des données de performance techniques, des hypothèses d'exploitation réalistes, des indicateurs environnementaux et des coûts sur le cycle de vie.
L'efficacité énergétique devrait être rapportée à la tâche de mélange réellement requise. Un indicateur central est la consommation d'énergie spécifique, par exemple en kWh par tonne de produit commercialisable ou par charge, pour une qualité de mélange démontrée. Ce qui est déterminant n'est pas uniquement la puissance de raccordement du mélangeur. Le temps de mélange, le taux de remplissage, la géométrie de l'outil, la vitesse de rotation, le comportement du produit, la recette et l'homogénéité requise influencent également le besoin énergétique. Une puissance d'entraînement installée élevée n'est pas automatiquement inefficace si elle est nécessaire pour les couples de démarrage, les viscosités élevées, les pics de charge ou des phases de procédé particulières. Inversement, une unité d'entraînement surdimensionnée peut provoquer des pertes d'investissement et de charge partielle inutiles. Le dimensionnement de l'entraînement devrait donc refléter le cas de charge réel et prévoir des réserves suffisantes pour les écarts liés au produit ou au procédé.
Des moteurs à haut rendement, des réducteurs à faibles pertes et des entraînements à fréquence variable peuvent améliorer l'efficacité énergétique lorsqu'ils sont adaptés à l'application. Les variateurs de fréquence permettent d'adapter la vitesse de rotation et le couple au produit, au taux de remplissage et à la phase de mélange. Ils peuvent réduire les temps de marche à vide, améliorer le ménagement du produit et soutenir un fonctionnement adapté aux besoins. Une récupération d'énergie lors des freinages n'est cependant que d'une pertinence limitée dans de nombreux procédés de mélange classiques et ne devrait être considérée comme un avantage que si des freinages dynamiques se produisent réellement fréquemment et que l'infrastructure électrique permet la récupération. L'ensemble de la chaîne d'entraînement devrait donc être évalué non seulement selon sa classe de rendement, mais selon son profil de charge réel, ses heures de fonctionnement annuelles et sa consommation d'énergie spécifique.
La conception liée au procédé influence également l'efficacité énergétique. Des outils de mélange favorables à l'écoulement, une géométrie de cuve adaptée et un taux de remplissage approprié peuvent réduire le temps de mélange requis pour une qualité de mélange définie. Un temps de mélange court n'est cependant pas toujours l'objectif prioritaire. Pour les produits sensibles ou les charges de grand volume, une homogénéisation plus longue, conduite lentement, peut être judicieuse si elle permet un ménagement du produit, une qualité de mélange et une puissance de raccordement plus faible. Le choix du mélangeur devrait donc s'effectuer à l'aide d'essais de produit et de critères de qualité clairement définis. Une comparaison adaptée considère non seulement le temps jusqu'à l'homogénéité, mais aussi la consommation d'énergie, la température du produit, la tendance à la ségrégation, l'abrasion, les pertes de produit et l'effort de nettoyage.
Dans le bilan énergétique, outre l'entraînement de mélange, tous les équipements auxiliaires pertinents doivent être intégrés. En font partie par exemple les organes de dosage, la technique de convoyage, les systèmes de vide et d'air comprimé, l'aspiration, la technique de commande ainsi que les systèmes de chauffage ou de refroidissement. Pour les procédés de mélange, séchage ou réaction thermorégulés, le besoin de chaleur et de froid devrait être saisi séparément, par exemple en kWh ou MJ par charge ou par tonne de produit. Une bonne isolation thermique des cuves à double enveloppe peut limiter les pertes de chaleur. Une récupération de chaleur est particulièrement pertinente là où de l'énergie réellement utilisable provient de l'air évacué, des circuits de refroidissement ou de la chaleur de procédé. Pour les procédés de mélange de poudre non thermorégulés, son potentiel est en revanche souvent faible.
La durabilité comprend, au-delà de la consommation d'énergie, une utilisation efficace des matières premières, de l'eau, des produits chimiques de nettoyage et des pièces d'usure. Une bonne vidange résiduelle peut réduire les pertes de produit et les déchets, ainsi que l'effort de nettoyage lors des changements de produit. Des chambres de mélange pauvres en espaces morts, bien accessibles et faciles à nettoyer peuvent aider à limiter le besoin en eau et en produits chimiques. Le fait qu'un concept de nettoyage CIP, WIP ou manuel soit la solution la plus durable dépend des adhérences de produit, de la fréquence de changement, des exigences d'hygiène, de l'infrastructure disponible et des exigences de validation de nettoyage. L'impact environnemental ne devrait pas être mesuré uniquement à la consommation d'eau, mais aussi à l'utilisation d'énergie, au besoin en produits de nettoyage, au volume d'eaux usées et, le cas échéant, aux charges pertinentes des eaux usées.
Lors du choix des matériaux, l'usure, la corrosion, l'hygiène, la réparabilité et l'aptitude au recyclage doivent être évaluées ensemble. Les aciers inoxydables sont, dans de nombreuses applications, durables, faciles à nettoyer et bien valorisables à la fin de la phase d'utilisation. Pour les produits abrasifs, des matériaux trempés, des revêtements résistants à l'usure, des revêtements à matériaux durs ou des céramiques techniques peuvent augmenter la durée de vie de certains composants. Ils ne devraient cependant être utilisés que s'ils sont compatibles avec le produit, la température, le nettoyage, la sollicitation par chocs et les exigences réglementaires. Pour les milieux corrosifs, selon la sollicitation chimique, des aciers austénitiques ou duplex ainsi que des alliages spéciaux adaptés entrent en considération. Une qualité de surface adaptée peut réduire les adhérences de produit et améliorer la nettoyabilité. Dans les applications hygiéniques, une valeur de rugosité de Ra 0,8 µm ou mieux est souvent utilisée comme valeur d'orientation pour les surfaces métalliques en contact avec le produit. La qualité de surface réellement requise dépend cependant aussi de la géométrie, de l'exécution des soudures, du procédé de nettoyage et du risque hygiénique.
La longévité d'une installation de mélange est déterminée par le dimensionnement adapté des arbres, paliers, réducteurs, accouplements, joints et outils de mélange. Ces composants devraient être adaptés au collectif de charge réel, aux déséquilibres possibles, aux taux de remplissage changeants, aux processus de démarrage, à l'abrasion du produit et aux heures de fonctionnement attendues. Des valeurs cibles rigides comme une durée de vie minimale de paliers de 40 000 heures ne sont pas judicieuses pour toute application. La durée de vie nominale requise des paliers selon l'ISO 281 dépend de la criticité, de la charge, de la vitesse de rotation, du concept de maintenance, de l'interchangeabilité et des conséquences d'une panne. Pour les procédés continus critiques en disponibilité, des exigences plus élevées peuvent être judicieuses ; pour les composants facilement interchangeables ou exploités de façon intermittente, d'autres valeurs cibles peuvent être plus économiques.
L'aptitude à la maintenance est un facteur essentiel de durabilité technique et économique. Des joints, paliers, outils de mélange et organes de vidange bien accessibles raccourcissent les temps d'inspection et de réparation. Des pièces d'usure interchangeables, des sous-ensembles modulaires et des composants aussi standardisés que possible facilitent la gestion des pièces de rechange et la maintenance. La disponibilité à long terme des pièces de rechange devrait être sécurisée contractuellement ou par une stratégie de service et de rétrofit traçable, plutôt que de supposer forfaitairement une disponibilité de plus de 15 ou 20 ans. Une instrumentation pour les vibrations, la température, le couple, l'absorption de courant ou les durées de fonctionnement peut soutenir la maintenance conditionnelle. Elle aide à identifier précocement des tendances remarquables et à déplacer les interventions de maintenance vers des fenêtres d'arrêt planifiées. Restent cependant déterminantes une qualité de données adaptée, une évaluation technique et une organisation de maintenance fonctionnelle.
Pour évaluer la disponibilité, des indicateurs comme le temps moyen entre pannes, le temps moyen de réparation et l'efficacité globale de l'installation sont utiles. Le MTBF décrit le temps entre les interruptions liées à une panne, le MTTR le temps moyen jusqu'au rétablissement de la fonction. L'OEE combine la disponibilité, la performance et le taux de qualité. Ces indicateurs ne devraient pas être considérés isolément, car un OEE élevé pourrait par exemple être obtenu au prix de quantités de rebut élevées ou d'une utilisation excessive d'énergie. L'analyse ne devient significative que lorsque la consommation d'énergie, les pertes de produit, l'effort de nettoyage, le rebut, les coûts de maintenance et les causes d'arrêt sont évalués ensemble.
Une évaluation écologique solide peut s'effectuer avec une analyse de cycle de vie. L'ISO 14040 décrit les principes et le cadre d'une analyse du cycle de vie, tandis que l'ISO 14044 fixe les exigences et lignes directrices pour le champ d'objectif et d'étude, l'inventaire, l'évaluation d'impact, l'interprétation, le reporting et, le cas échéant, la revue critique. Pour le choix d'une installation de mélange, cela signifie : les limites de système, l'unité fonctionnelle, les phases de vie considérées, la qualité des données, les hypothèses et les impacts environnementaux pertinents doivent être définis au préalable. Il n'est pas forfaitairement exact que l'énergie d'exploitation domine dans tous les cas le bilan CO₂. En cas de taux d'utilisation élevé et de longues durées de fonctionnement, elle peut être déterminante ; en cas de faible taux d'utilisation, de matériaux énergivores, de pièces de rechange fréquentes ou de matières premières particulièrement émissives, d'autres phases du cycle de vie peuvent peser davantage.
Outre l'analyse du cycle de vie, la décision devrait inclure une considération du coût total de possession ou des coûts sur le cycle de vie. Devraient être pris en compte l'acquisition, l'installation, l'énergie, les fluides auxiliaires, le nettoyage, la maintenance, les pièces de rechange, le personnel, les pertes de qualité, le rebut, les arrêts non planifiés, les modernisations et le démontage. La période d'observation ne devrait pas être fixée forfaitairement entre dix et vingt ans, mais correspondre à la durée d'utilisation attendue, à la logique d'amortissement, à l'évolution technologique et à la planification du procédé. Une analyse de la valeur d'usage peut compléter ces aspects économiques par des critères non monétaires comme le ménagement du produit, la qualité de mélange, l'aptitude hygiénique, la nettoyabilité, la flexibilité, l'évolutivité, l'intensité CO₂, la disponibilité et l'aptitude au service.
Le choix d'une installation de mélange durable devrait donc reposer sur des essais de produit solides, des consommations d'énergie et de fluides mesurées ou calculées de façon traçable, une stratégie de maintenance réaliste ainsi qu'une évaluation transparente des coûts sur le cycle de vie et de l'environnement. L'ISO 50001 peut fournir le cadre pour l'amélioration systématique de la performance énergétique : la norme aide les entreprises dans la saisie des données, la fixation d'objectifs, la mesure et l'amélioration continue de l'efficacité énergétique, de l'utilisation d'énergie et de la consommation d'énergie. L'ISO 14001 peut soutenir un système de management environnemental ; l'ISO 14040 et l'ISO 14044 sont pertinentes pour la mise en œuvre méthodique d'une analyse de cycle de vie.
Ainsi amixon® résout cette tâche
Pour amixon®, la durabilité signifie évaluer l'utilisation d'énergie, le rendement des matières premières, l'effort de nettoyage, la maintenance et la durée d'utilisation économique comme un système cohérent. Lors du choix d'une installation de mélange, il ne suffit pas de comparer uniquement la puissance d'entraînement installée ou le prix d'acquisition. Sont déterminants la tâche de mélange réelle, le comportement du produit, la taille de charge, le taux de remplissage, la qualité de mélange requise, les exigences de nettoyage ainsi que le mode d'exploitation attendu. amixon® peut évaluer ces facteurs par des essais en halle d'essais avec le produit d'origine et par des données de procédé liées à l'application.
L'efficacité énergétique est influencée de façon essentielle par le principe de mélange, la géométrie de l'outil, la vitesse de rotation, le taux de remplissage et le temps de mélange. Les mélangeurs amixon® travaillent dans de nombreuses applications avec de faibles vitesses périphériques des outils de mélange. Cela peut permettre un transfert de produit ménageant et limiter l'apport d'énergie mécanique. La puissance d'entraînement requise est cependant toujours dimensionnée en fonction du produit, de la recette, de la tâche de mélange, de la taille de charge et de l'homogénéité souhaitée. Une puissance de raccordement faible seule n'est pas un critère d'efficacité suffisant ; ce qui est déterminant, c'est la consommation d'énergie spécifique pour une qualité de mélange atteinte de façon reproductible, par exemple en kWh par charge ou par tonne de produit commercialisable.
Des temps de mélange courts peuvent réduire la consommation d'énergie par charge, à condition que l'homogénéité requise soit atteinte de façon fiable. Pour le mélangeur KoneSlid® KS, amixon® indique, dans des conditions adaptées, une qualité de mélange optimale après environ 20 à 30 rotations d'outil. Cette indication est spécifique au produit et n'est pas transposable de façon forfaitaire à d'autres produits, taux de remplissage ou types de mélangeurs. Pour le mélangeur à double arbre HM, des flux de mélange superposés peuvent soutenir un brassage rapide et intensif. Le temps de mélange réel, le besoin énergétique et la qualité de mélange devraient cependant toujours être vérifiés avec le produit d'origine.
Un temps de mélange court n'est pas l'objectif prioritaire dans chaque application. Lorsque le ménagement du produit, l'homogénéité et une faible puissance de raccordement électrique sont au premier plan, une homogénéisation plus longue, conduite lentement, peut être économiquement judicieuse. Le mélangeur Gyraton® GM suit ce principe. Il est conçu pour de grandes charges et peut brasser le produit en vrac de façon ménageante à faible vitesse de rotation. La puissance d'entraînement requise peut ainsi rester faible par rapport à la grande quantité de charge. Les mélangeurs Gyraton® sont disponibles pour des tailles de charge allant jusqu'à 100 m³ et conviennent, selon l'exécution, aux produits en vrac secs, humides ou mouillés. La puissance moteur concrète, le temps de mélange et la qualité de mélange atteignable sont déterminés de façon spécifique au projet, en fonction du produit, de la taille de charge, du taux de remplissage et de l'exigence de qualité.
Outre la consommation d'énergie, le rendement des matières premières est un facteur de durabilité essentiel. Une vidange du mélangeur aussi complète que possible peut réduire les pertes de produit, le rebut et l'effort de nettoyage. Selon le produit, le type de mélangeur et l'exécution, les mélangeurs amixon® peuvent atteindre des degrés de vidange élevés. Pour certaines exécutions, amixon® indique des degrés de vidange allant jusqu'à 99,98 pour cent. Avec la technologie ComDisc®, des degrés de vidange allant jusqu'à 99,997 pour cent et plus sont possibles dans des conditions adaptées. La quantité résiduelle réellement atteignable dépend cependant du comportement d'écoulement, de l'humidité, de la taille des particules, de la masse volumique apparente et de la tendance à l'adhérence du produit respectif, et devrait être vérifiée par essai.
Des chambres de mélange pauvres en espaces morts et bien accessibles peuvent faciliter le nettoyage. Cela peut, avec une conception de procédé et d'installation adaptée, réduire le besoin en eau, en produits de nettoyage, en énergie et en interventions manuelles. Pour les incorporations de liquide, un dosage finement réparti, adapté à la recette, peut contribuer à limiter les adhérences locales. Le fait que cela se traduise réellement par des temps de nettoyage plus courts ou une consommation de milieu réduite dépend notamment du produit, du standard d'hygiène, de la fréquence de changement et du procédé de nettoyage. Pour les poudres sensibles à la température, un principe de mélange ménageant peut en outre aider à limiter un apport de température indésirable. Le fait que cela permette d'économiser de l'énergie de refroidissement devrait être mesuré pour l'application concrète.
La longévité est un autre facteur de durabilité. Une construction robuste, des matériaux adaptés, des composants résistants à l'usure, une bonne accessibilité pour la maintenance et la possibilité de modernisation peuvent prolonger la durée d'utilisation économique d'une installation de mélange. amixon® soutient les exploitants avec la maintenance, l'approvisionnement en pièces de rechange, le rétrofit et la modernisation. Les rééquipements peuvent par exemple concerner les entraînements, les commandes, l'instrumentation, les fonctions de sécurité, la technique de dosage, le nettoyage ou la documentation de procédé. Ils permettent d'adapter les installations existantes à de nouvelles recettes, des débits modifiés, des exigences accrues de traçabilité ou des prescriptions réglementaires. Cela peut réduire le besoin d'investissements de remplacement complets et l'utilisation de matière et d'énergie qui y est associée.
Pour un choix fondé, les indicateurs d'énergie, de ressources et de disponibilité devraient être considérés ensemble. Sont particulièrement pertinents la consommation d'énergie spécifique par charge ou tonne de produit, la puissance absorbée dans l'évolution temporelle, la quantité résiduelle après la vidange, le taux de perte de produit, la consommation d'eau et de produits de nettoyage par nettoyage ou changement de produit, le besoin en pièces d'usure, les temps d'arrêt non planifiés ainsi que la durée d'utilisation attendue. Selon le concept d'automatisation, ces données peuvent être saisies, documentées et utilisées de façon spécifique au projet pour des analyses d'énergie, de CO₂, de ressources ou d'OEE.
Avant un investissement, la tâche de mélange concrète peut être éprouvée dans la halle d'essais amixon® avec le produit d'origine. Sur le site principal de Paderborn, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles. amixon® exploite en outre des centres techniques aux États-Unis, en Chine, au Japon, en Inde, en Thaïlande et en Corée du Sud. Les essais peuvent être réalisés avec les matières premières prévues, des taux de remplissage réalistes, des tailles de charge ainsi que les plages de température et de pression pertinentes. Sont notamment évaluées la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la vidangeabilité, la nettoyabilité et la reproductibilité. Les résultats documentés créent une base solide pour mettre en balance de façon transparente les exigences techniques, écologiques et économiques avant un investissement.