Quelles erreurs sont fréquemment commises concernant le taux de remplissage d'un mélangeur ?
Le taux de remplissage est souvent traité comme une grandeur fixe de la machine, alors qu'il s'agit d'un paramètre de procédé central. Trop peu ou trop de produit dans le mélangeur peut influencer sensiblement la qualité de mélange, le temps de mélange, l'intégrité des particules, la démixtion, la répartition des liquides, la vidange et l'effort de nettoyage. Le taux de remplissage approprié doit donc être déterminé conjointement pour le produit, la géométrie du mélangeur, l'outil, la vitesse de rotation et l'objectif de procédé.
Surremplissage excessif
Une erreur répandue consiste à remplir le mélangeur jusqu'à près de son volume géométrique total afin d'augmenter le rendement par charge ou de réduire le temps de cycle. L'espace libre nécessaire au mouvement du produit fait alors souvent défaut. Le mélange ne peut pas se dilater, se remanier ou circuler suffisamment. Les conséquences sont des temps de mélange plus longs, des zones mal mues, une homogénéité fluctuante et, dans les cas extrêmes, une compaction locale ou une surcharge de l'entraînement.
Pour les produits sensibles, un surremplissage peut en outre augmenter la pression sur les couches inférieures de produit. Les flakes, agglomérats, granulés et autres constituants sensibles à la rupture peuvent alors s'abraser ou se briser davantage. Pour les recettes collantes, humides ou riches en matières grasses, le surremplissage peut en outre favoriser les collages et une répartition inégale des liquides. Des niveaux de remplissage plus élevés peuvent allonger le temps de mélange ; en même temps, le taux de remplissage et le schéma de chargement influencent le risque de démixtion.
Remplissage trop faible
Un taux de remplissage trop bas est souvent choisi parce qu'il crée d'abord un espace de mouvement généreux. Si la hauteur de remplissage est toutefois trop faible, les outils de mélange ne saisissent plus l'ensemble du volume de produit. Des zones peuvent apparaître qui ne sont que faiblement mues, tandis que d'autres fractions de produit sont traitées de façon répétée et relativement intensive.
Pour les mélangeurs à chute libre et à culbutage, trop peu de produit peut entraîner des hauteurs de chute plus importantes et une énergie de choc plus élevée. Pour les mélangeurs à outils, une vitesse relative accrue, de l'abrasion, une rupture de particules ou une formation de poussière peuvent se produire. Cela est particulièrement critique pour les céréales, les granulés friables, les particules enrobées et les agglomérats sensibles. Un sous-remplissage peut réduire la performance de mélange et augmenter la variabilité des charges.
Utiliser le poids au lieu du volume
Une erreur de planification fréquente consiste à concevoir la charge exclusivement en kilogrammes. Le taux de remplissage est toutefois une grandeur volumique. Des variations de la masse volumique apparente, de l'humidité, de la température, de la teneur en air, de la granulométrie ou de la recette peuvent faire qu'une même masse occupe un volume nettement différent.
Cela est particulièrement problématique pour les produits légers et volumineux tels que flakes, poudres instantanées, fibres ou poudres agglomérées. Une charge qui paraît correcte en poids peut en réalité surremplir le mélangeur. Inversement, un produit lourd peut, pour la même masse, se situer nettement en dessous de la plage de travail requise. Pour la détermination du taux de remplissage, il convient donc d'utiliser la masse volumique apparente réelle du mélange de produits dans les conditions de procédé effectives.
Modifier le taux de remplissage isolément
Le taux de remplissage est parfois modifié sans adapter la vitesse de rotation, le temps de mélange, la configuration des outils, le profil de dosage ou l'ajout de liquide. Cela conduit fréquemment à des variations inexpliquées. Un taux de remplissage plus élevé nécessite, selon le principe de mélange, un temps de mélange ou une vitesse de rotation adaptés ; un remplissage plus faible peut exiger une vitesse d'outil réduite afin de limiter la rupture et l'abrasion.
L'ajout de composants liquides doit lui aussi être coordonné avec le taux de remplissage. Pour un remplissage élevé, la surface de produit atteignable par unité de temps est plus faible ; le brouillard de pulvérisation n'atteint pas toutes les particules de façon égale. Pour un remplissage faible, le liquide peut se concentrer sur peu de zones ou adhérer à la paroi et à l'outil. Le taux de remplissage, le débit de pulvérisation, la taille des gouttelettes, la géométrie de la buse et le mouvement du produit doivent donc être développés comme une fenêtre de procédé commune.
Ignorer la plage de travail du fabricant
Chaque mélangeur possède une plage de travail prévue. Celle-ci se fonde sur la géométrie de la chambre de mélange, la forme de l'outil, la profondeur d'implantation, l'organe d'évacuation et le principe de mélange. Un taux de remplissage en dehors de cette plage peut, même avec le même produit, entraîner des zones mortes, un remaniement insuffisant, une sollicitation mécanique élevée ou une évacuation instable.
La plage de travail du fabricant constitue un point de départ pertinent, mais ne remplace pas la validation du produit. Un taux de remplissage optimisé de façon pratique peut se situer dans la fourchette admissible, mais est rarement transposable forfaitairement à un autre type de mélangeur ou une autre taille de construction.
Négliger la démixtion avant et après le mélange
Un bon échantillon prélevé directement dans le mélangeur ne prouve pas que le produit reste homogène jusqu'au conditionnement. La démixtion peut déjà survenir lors du chargement, du fait de hauteurs de chute, de masses volumiques apparentes, de tailles de particules ou d'ordres de charge différents. Elle peut également se produire lors de la vidange, dans les glissières, convoyeurs, silos et lors de l'emballage.
Un taux de remplissage défavorable peut renforcer ces effets, car la forme de mouvement du produit en vrac se modifie. La percolation est particulièrement pertinente pour les mélanges de constituants grands et petits, légers et lourds ou de formes différentes : les grains fins peuvent migrer vers le bas à travers les interstices de particules plus grandes. Les différences de taille de particule, de masse volumique, de forme et de cohésion sont des moteurs essentiels de la ségrégation.
Mélanger trop longtemps pour compenser une erreur de taux de remplissage
Une réaction fréquente à de mauvais échantillons de mélange est : « Alors mélangeons plus longtemps. » Cela ne peut toutefois que rarement corriger complètement un taux de remplissage inadapté. Des temps de mélange plus longs entraînent souvent, pour les produits sensibles, une abrasion, une rupture et une formation de poussière supplémentaires. Pour les mélanges sujets à la démixtion, un mélange excessif peut même dégrader à nouveau l'homogénéité.
Au lieu d'augmenter indéfiniment le temps de mélange, il convient d'examiner si le mélangeur est sur- ou sous-rempli, si la masse volumique apparente a changé, si l'outil saisit l'ensemble de la charge et si le chargement ainsi que la vidange démixent déjà le produit avant ou après le mélange.
Absence d'essais avec le produit d'origine
La plus grande erreur consiste à fixer un taux de remplissage à partir de valeurs d'expérience, d'une autre recette ou uniquement du volume nominal. Même des produits comparables peuvent se comporter nettement différemment en raison de la masse volumique apparente, de l'humidité, de la teneur en matières grasses, de la forme des particules, de la granulométrie ou du comportement d'écoulement.
Le taux de remplissage devrait donc être testé systématiquement avec un produit d'origine représentatif. Une série d'essais avec plusieurs taux de remplissage ainsi qu'une vitesse de rotation et un temps de mélange adaptés est judicieuse. Il convient d'évaluer l'homogénéité, le temps de mélange, la proportion de fines et de casse, la masse volumique apparente, la teneur en poussière, la répartition des liquides, la démixtion après évacuation, la vidange résiduelle et le temps de cycle. Le taux de remplissage influence à la fois les processus de mélange et de démixtion et devrait donc être traité comme un paramètre de procédé critique.
Ainsi amixon® travaille avec des taux de remplissage variables dans les mélangeurs verticaux
Pour les céréales sensibles, flakes, produits extrudés, clusters et particules enrobées, le taux de remplissage est, dans de nombreux systèmes de mélange, un paramètre de procédé critique. Dans les mélangeurs verticaux d'amixon®, la qualité de mélange peut en revanche être maintenue sur une large plage de taux de remplissage, à condition que le produit, l'exécution des outils et les paramètres d'exploitation correspondent à la tâche. L'hélice de mélange verticale SinConvex® génère un mouvement de produit tridimensionnel : elle transporte le mélange vers le haut dans la zone proche de la paroi ; au centre, le produit s'écoule à nouveau vers le bas sous l'effet de la gravité.
La recirculation suit le volume de produit
Le débit de refoulement d'une hélice de mélange verticale peut être décrit approximativement comme suit :
Iv=π/4⋅(D2−d2)⋅φ⋅S⋅n⋅ζ
Iv désigne ici le débit volumique de recirculation de l'hélice de mélange, D le diamètre extérieur et d le diamètre intérieur de l'hélice. φ décrit le taux de remplissage, S le pas de l'hélice, n la fréquence de rotation et ζ un coefficient de vitesse.
L'équation montre que le débit volumique recirculé augmente proportionnellement avec le taux de remplissage. En même temps, la quantité de produit à mélanger augmente elle aussi proportionnellement. Rapportée à la charge présente, la puissance de recirculation spécifique reste donc en principe constante dans des conditions géométriquement comparables. Cela explique pourquoi le mouvement de mélange vertical peut rester efficace de façon similaire sur une large plage de taux de remplissage. amixon® décrit cette relation, pour des appareils géométriquement similaires, comme la base d'une puissance de mélange spécifique indépendante de la taille.
Cela ne signifie pas que le taux de remplissage ne joue plus aucun rôle. Il continue d'influencer le temps de mélange, la colonne de produit, la vidange, l'ajout de liquide, la sollicitation en pression des particules sensibles, les espaces gazeux disponibles, l'évacuation et l'utilisation possible d'outils supplémentaires. Il n'est cependant pas, dans la recirculation verticale SinConvex®, un facteur limitant de la même manière que pour les principes de mélange dont l'action dépend fortement d'une hauteur de chute déterminée, d'une surface de produit libre ou d'une zone de tourbillon formée localement.
Grande flexibilité du taux de remplissage
Les mélangeurs verticaux à deux arbres amixon® de la gamme HM sont décrits par le fabricant pour des taux de remplissage d'environ 10 à 100 pour cent du volume utile. Le mélangeur peut fonctionner à vitesse de rotation variable et doit homogénéiser des produits secs, humides ainsi que visqueux, de tailles de particules, de masses volumiques apparentes et de propriétés d'écoulement différentes.
Pour les mélangeurs verticaux à un arbre de la gamme VM, le remaniement tridimensionnel efficace commence, selon les indications du fabricant, dès environ 10 pour cent de taux de remplissage. Les mélangeurs coniques de la gamme AM couvrent eux aussi, selon le produit et l'exécution, de grandes plages de travail ; amixon® indique des taux de remplissage d'environ 5 à 100 pour cent. Pour les produits en vrac pulvérulents, un espace gazeux suffisant est toutefois nécessaire. Le taux de remplissage maximal réellement utilisable dépend donc du comportement d'écoulement, du volume de produit, de la purge d'air, de l'ajout de liquide et de la géométrie du mélangeur.
Pour les céréales sensibles, cette flexibilité offre des avantages pratiques. De plus petites charges de recette peuvent être traitées dans le même mélangeur, sans devoir nécessairement passer à un appareil plus petit. Pour les variantes saisonnières, les développements de produits, les changements de recette fréquents ou les volumes de production fluctuants, cela peut réduire l'effort de changement de format et les capacités de mélange supplémentaires. Le mouvement des particules reste tridimensionnel ; l'intensité de mélange est ajustée, via l'exécution des outils, la vitesse de rotation et le temps de mélange, à la résistance à la rupture, à l'enrobage et à l'homogénéité souhaitée.
Ménagement du produit et limites de procédé
Pour les céréales sensibles à la rupture, une faible vitesse d'outil est souvent judicieuse afin de limiter l'énergie de choc, de frottement et d'abrasion. Le mouvement de transport vertical peut remanier le produit de façon comparativement ménageante. Une exclusion complète de la casse de flakes, de l'abrasion ou des dommages à l'enrobage n'est toutefois pas possible de façon générale. Outre le mélange, ce sont surtout le chargement, l'ajout de liquide, l'évacuation, les hauteurs de chute et la technique de transport en aval qui peuvent influencer l'intégrité du produit.
L'utilisation de rotors de coupe ou d'autres outils supplémentaires intensifs n'est en règle générale pas nécessaire pour les céréales sensibles. Si des liquides tels que des arômes, huiles, sirops ou enrobages sont ajoutés, la technique de pulvérisation doit être adaptée au taux de remplissage et au mouvement du produit. La taille des gouttelettes, le débit de pulvérisation, la position de la buse, la température du produit et la viscosité influencent le fait qu'un mouillage homogène soit obtenu sans surhumidification locale ni collages.
Les taux de remplissage proches de la limite supérieure doivent, en particulier pour les produits poussiéreux ou légers, être vérifiés quant à un espace de purge d'air suffisant, un chargement sûr et un mouvement de produit libre. De même, des taux de remplissage très faibles doivent garantir que l'hélice de mélange et la circulation du produit saisissent de façon fiable l'ensemble de la charge. amixon® recommande de déterminer le taux de remplissage minimal d'une installation prévue par des essais de mélange avec le produit d'origine.
Conception basée sur des essais
La conception concrète devrait s'effectuer avec des céréales d'origine. Le taux de remplissage, la vitesse de rotation, le temps de mélange, l'exécution des outils, le chargement, l'ajout de liquide et l'évacuation sont alors examinés conjointement. Il convient d'évaluer l'homogénéité du mélange, la proportion de casse et de fines, la répartition de l'enrobage, la formation de poussière, la masse volumique apparente, le comportement d'écoulement, la vidange résiduelle ainsi qu'une démixtion possible après le processus de mélange.
Les essais définissent non pas un seul taux de remplissage optimal, mais une plage de travail admissible fiable. Un mélangeur vertical peut ainsi être utilisé de façon flexible pour différentes tailles de charge, sans perdre de vue la qualité du produit, l'intégrité des particules et la reproductibilité du procédé.