Comment planifier des essais de montée en échelle afin de transposer de manière fiable le temps de mélange, le taux de remplissage et la vitesse de l'outil ?
Une montée en échelle solide des procédés de mélange pour produits pulvérulents exige une planification d'essais systématique qui prend en compte les similitudes géométrique, cinématique et dynamique entre les échelles du laboratoire, du pilote et de la production. L'objectif est le transfert reproductible du temps de mélange, du taux de remplissage et de la vitesse de rotation de l'outil, de sorte que la qualité de mélange, l'homogénéité et le ménagement du produit soient conservés.
Principes de base et critères de montée en échelle
Au début, les paramètres critiques du procédé et l'objectif de mélange dominant sont définis, par exemple l'homogénéisation, la sécurité contre la ségrégation, le ménagement du produit ou la vidange résiduelle. Sur cette base, il est décidé quel nombre caractéristique sera maintenu constant de préférence lors de la montée en échelle, par exemple la vitesse périphérique, le nombre de Froude ou, dans les cas appropriés, une approche liée à l'énergie.
Le nombre de Froude se rapporte en cela aux mélangeurs rotatifs à chute libre, à tambour et à projection ainsi qu'aux systèmes à outil de mélange monté horizontalement. Pour les mélangeurs verticaux à remaniement forcé, il n'est ni un critère de dimensionnement ni un critère de montée en échelle. Ce qui compte là, c'est que le principe de mélange reste identique sur toutes les tailles et que le remaniement couvre toute la chambre de mélange indépendamment du taux de remplissage ; la transposabilité est sécurisée en halle d'essais avec le produit d'origine.
Comme tous les nombres caractéristiques ne peuvent pas être constants en même temps, le critère de similitude doit être hiérarchisé d'après le mécanisme de mélange dominant. Un plan d'essais robuste comprend aussi des essais proches des limites du procédé, afin d'évaluer la stabilité du procédé à grande échelle.
Similitude géométrique et taux de remplissage
Le taux de remplissage est d'une grande importance sur les mélangeurs à poudres dont l'arbre d'outil de mélange est monté horizontalement.
Pour un transfert fiable, la similitude géométrique entre les échelles est déterminante. Des rapports tels que H sur D et d sur D ainsi que des distances aux parois et des géométries d'outil comparables devraient rester aussi constants que possible.
Le taux de remplissage influence nettement l'image d'écoulement, les zones mortes et la puissance absorbée. Le surremplissage favorise les zones mortes et peut allonger le temps de mélange ; le sous-remplissage peut en revanche conduire à un comportement de circulation défavorable et à un effet de mélange réduit. Il est donc recommandé d'étudier plusieurs taux de remplissage à petite échelle, puis de transposer la plage optimale.
Détermination et mise à l'échelle du temps de mélange
Le temps de mélange n'est pas une constante fixe, mais une fonction de la vitesse de rotation, de la géométrie et des propriétés des matières. À petite échelle, la cinétique de mélange est relevée par des courbes de qualité de mélange et un niveau d'homogénéité visé est défini, par exemple au moyen du coefficient de variation ou d'une grandeur caractéristique comparable.
Pour le transfert à l'échelle supérieure, le temps de mélange est sécurisé expérimentalement et non extrapolé par le seul calcul. Avec les produits pulvérulents en particulier, le comportement en vrac, la cohésion, les différences de densité et la distribution granulométrique dépendent si fortement du produit que les valeurs d'essai sont nettement plus fiables que de simples formules empiriques.
Détermination de la vitesse de rotation de l'outil
La vitesse de rotation de l'outil à l'échelle cible résulte de la règle de montée en échelle choisie. À vitesse périphérique constante, il vaut par analogie que la vitesse de rotation diminue lorsque le diamètre augmente. Cette manière de procéder est souvent particulièrement judicieuse pour les produits pulvérulents, parce qu'elle maintient comparable le schéma de mouvement du lit de produit et évite les sollicitations excessives.
La vitesse de rotation calculée est toujours à vérifier au regard des limites mécaniques, des sensibilités spécifiques au produit et de la stabilité pratique du procédé. Un choix de la vitesse de rotation fondé sur de seules valeurs calculées ne suffit en règle générale pas avec les poudres.
Planification des essais, grandeurs de mesure et validation
Pour une montée en échelle fiable, un plan d'essais structuré avec les facteurs vitesse de rotation, taux de remplissage et temps de mélange s'impose. Les grandeurs de mesure importantes sont la puissance absorbée, le couple, la qualité de mélange, la vidange résiduelle et des grandeurs liées au produit telles que la répartition de l'humidité, l'homogénéité ou la formation de particules.
Après le transfert à l'échelle de production suivent des essais de validation, afin de saisir les variations réelles des matières premières, les zones limites du taux de remplissage et le comportement de mouvement effectif à grande échelle. Les écarts sont documentés et utilisés pour affiner le modèle de mise à l'échelle.
Ainsi amixon® planifie un programme d'essais et de montée en échelle en halle d'essais
Définir l'objectif avant le premier essai
Au commencement se trouvent les critères d'acceptation de l'exploitant, c'est-à-dire la qualité de mélange exigée, le taux de vidange, les exigences de ménagement, la plage de tailles de charge et le temps de cycle. Les experts amixon® transposent ces objectifs dans un programme d'essais structuré sur l'une des 35 installations d'essai rien qu'à Paderborn, qui s'étendent sur cinq types de construction de mélangeurs de précision. amixon® peut ainsi représenter des essais jusqu'à la taille de 3 m³, ce qui est d'un grand avantage en particulier pour les questions de préservation de la masse volumique apparente et de conservation de la structure des particules.
Variation systématique des paramètres
Sont variées les grandeurs pertinentes pour la mise à l'échelle : le temps de mélange, la vitesse périphérique de l'outil dans la fenêtre d'environ 0,8 à 3,5 m/s, le taux de remplissage ainsi que, si cela est pertinent pour le procédé, le taux de dosage et le mode d'ajout du liquide, par exemple par lance ou par buse à deux fluides, avec ou sans rotor de coupe. Pour chaque point d'essai, des échantillons sont prélevés et la qualité de mélange est déterminée, tandis que les taux de vidange sont vérifiés gravimétriquement.
Transfert à l'échelle de production
Parce que les mélangeurs de halle d'essais et de production travaillent avec un principe de mélange identique et sont mis à l'échelle par la vitesse périphérique plutôt que par la seule vitesse de rotation, les paramètres trouvés sont en principe bien transposables. La trame de tailles par pas de 100 litres jusqu'à 50 000 litres permet un dimensionnement exactement sur la taille de charge cible, sans rupture de similitude inutile. La large congruence entre la halle d'essais et la machine de production est ici un avantage essentiel pour la mise à l'échelle, appuyé sur 43 ans d'expérience du marché.
La documentation comme base d'investissement
Les essais sont réalisés, exploités et documentés en commun. Le rapport d'essai confirme les paramètres de procédé dans des conditions réelles et désigne l'appareil optimal, comme base pour reprendre de façon fiable la qualité de mélange visée, les taux de vidange et les temps de cycle dans la spécification de l'installation.
La fabrication à Paderborn comme fondement de la qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement à l'usine de Paderborn – avec une intégration verticale élevée 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, et le contrôle qualité reste sans lacune en interne.
Un service sur le cycle de vie
Après la mise en service, amixon® reste aux côtés de l'exploitant. Des inspections régulières et une maintenance préventive assurent la disponibilité, sur demande complétées par une maintenance prédictive, et l'approvisionnement en pièces de rechange reste garanti à long terme.