Existe-t-il des fournisseurs disposant de sites de halles d'essais en Allemagne pour réaliser des essais et des tests de montée en échelle ?
Montée en échelle et conduite des essais dans la halle d'essais industrielle
Oui, l'Allemagne dispose d'un paysage bien développé de halles d'essais et d'installations pilotes pouvant être utilisées spécifiquement pour des essais de montée en échelle, le développement de procédés et la validation de procédés. Ces installations comblent la lacune critique entre les essais de laboratoire à l'échelle du gramme au kilogramme et la production industrielle à l'échelle de la tonne. Elles sont exploitées aussi bien par des prestataires d'ingénierie spécialisés, des constructeurs d'installations et des fabricants de machines que par des organismes de recherche et des universités indépendants des fabricants.
Des pôles régionaux se trouvent entre autres dans les régions à forte présence chimique (par exemple Rhin-Main, Rhin-Ruhr, Allemagne centrale) ainsi qu'en Bavière et dans le Bade-Wurtemberg. De nombreux prestataires travaillent sous strict engagement de confidentialité (NDA) et mettent à disposition des rapports d'essai spécifiques au produit, y compris les données de mesure et les recommandations de dimensionnement.
Objectif typique des essais de montée en échelle en halle d'essais
L'objectif central d'une exploitation en halle d'essais est la minimisation du risque technologique et financier lors de l'agrandissement d'échelle du laboratoire à l'installation de production. En halle d'essais :
- des essais de génie des procédés sont réalisés à des échelles typiquement comprises entre 1:10 et 1:100 de l'installation de production ultérieure
- une caractérisation du procédé est effectuée dans des conditions proches de la production (température, pression, débit)
- des tests de matériaux sont réalisés sur des quantités de produit pertinentes pour la sécurisation statistique
- des paramètres de dimensionnement tels que l'apport d'énergie spécifique, le temps de séjour, les coefficients de transfert de chaleur et de matière sont déterminés
- des recettes et des formulations sont adaptées aux conditions de procédé industrielles
L'accent est mis sur la validation, dans des conditions proches du réel, des données déterminées à l'échelle du laboratoire, car la similitude géométrique seule ne suffit le plus souvent pas à garantir un comportement de procédé identique à grande échelle.
Principes méthodologiques du transfert d'échelle
La mise à l'échelle technique repose essentiellement sur la théorie de la similitude et sur l'analyse dimensionnelle. À l'aide de nombres caractéristiques sans dimension, des corrélations sont développées puis vérifiées en halle d'essais, par exemple :
- le nombre de Reynolds pour le comportement d'écoulement et de mélange
- le nombre de Nusselt pour le transfert de chaleur
- les nombres de Damköhler et de Froude pour le rapport entre la cinétique de réaction et les phénomènes de transport ou de mouvement
- d'autres nombres caractéristiques de montée en échelle pour l'évaluation de la similitude dynamique et thermique
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.
En halle d'essais, il est déterminé expérimentalement lesquels de ces nombres caractéristiques sont limitants pour le procédé spécifique. Sur cette base, les facteurs de montée en échelle pour l'installation industrielle sont fixés et les risques de transposition potentiels identifiés.
Équipement technique typique des sites de halles d'essais allemands
Les installations de halle d'essais sont en règle générale de construction modulaire, afin de pouvoir représenter de façon flexible différentes opérations unitaires et étapes de génie des procédés. Les types d'installations et les équipements typiques comprennent :
Systèmes de réacteurs
- des réacteurs par charges et continus, également sous pression et sous gaz inerte
- des géométries d'agitation variables, des concepts de thermorégulation et de refroidissement
Technique de mélange et de préparation
- des installations de mélange et d'agitation (continues et par charges)
- des installations d'extrusion et de compoundage
Technique de broyage et de classification
- des broyeurs, des classificateurs, des tamiseuses
Agrégats de séchage et de mise en forme
- des sécheurs par pulvérisation, à lit fluidisé et à contact
- des installations de granulation et de compactage
Downstream-Processing / technique de séparation
- des installations de filtration, de centrifugation et à membranes
- des colonnes de rectification et d'autres procédés de séparation thermique
Analytique et surveillance de procédé
- de l'analytique de procédé en ligne (PAT) pour la surveillance en temps réel des concentrations, des distributions granulométriques, des viscosités etc.
- de l'analytique de laboratoire pour le contrôle qualité et la caractérisation du produit
Infrastructure et sécurité
- l'alimentation en gaz techniques, en vide, en vapeur et en fluides de procédé
- le dimensionnement selon les standards de sécurité pertinents (par exemple les zones ATEX pour les milieux inflammables)
- le respect des normes et directives européennes et nationales (par exemple la directive Machines, la directive Équipements sous pression, la loi allemande sur le régime des eaux WHG)
Avantages d'un site de halle d'essais local en Allemagne
Un site de halle d'essais en Allemagne offre plusieurs avantages à l'industrie manufacturière et de process :
- la proximité logistique de l'usine propre et des chaînes d'approvisionnement, des efforts de transport et de coordination réduits
- l'intégration directe des équipes d'ingénierie internes dans la planification, la conduite des essais et l'exploitation, ce qui raccourcit nettement les cycles d'itération entre calcul, essai et optimisation
- une documentation et une conduite des essais conformes aux normes selon les référentiels européens, ce qui facilite la transposition des résultats dans des concepts d'installation autorisables dans l'Espace économique européen
- la confidentialité et la protection de la propriété intellectuelle par une coopération encadrée par NDA et des rapports d'essai détaillés et spécifiques au projet
Démarche recommandée pour une montée en échelle réussie en halle d'essais
Avant le début des essais en halle d'essais, une préparation structurée est recommandée :
- la définition des grandeurs cibles et des critères de qualité du produit fini
- la détermination des matériaux de départ et l'évaluation de leur constance entre charges
- la description des conditions limites de l'installation de production ultérieure, par exemple la capacité, l'alimentation en énergie et en fluides, les exigences de sécurité
- le choix des grandeurs de mesure pertinentes pour l'établissement des bilans et la surveillance du procédé (bilans de matière et d'énergie, paramètres de procédé critiques)
- la fixation des critères de montée en échelle (similitude géométrique, dynamique et thermique)
Un plan d'expériences systématique, par exemple selon le principe du Design of Experiments (DoE), augmente la valeur informative des résultats et réduit le nombre d'essais nécessaires.
La halle d'essais amixon® : essais, montée en échelle et optimisation de procédé avec des solides secs, humides ou en suspension
35 installations d'essai – de l'échelle du laboratoire à l'installation pilote
À son siège de Paderborn, amixon® exploite une halle d'essais avec 35 installations d'essai de tailles diverses. Des procédés peuvent ainsi être reproduits de façon proche de la pratique, de la petite échelle à l'installation pilote. Même avec des quantités de produit limitées, des affirmations solides pour l'échelle de production sont possibles. Dans le monde entier, des centres techniques sont en outre disponibles au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis.
Des conditions réelles au lieu d'extrapolations
Sont étudiés des procédés de mélange (mélanger, homogénéiser, granuler, agglomérer, humidifier, enrober) tout comme des procédés de séchage et de réaction (séchage sous vide, procédés thermiques, synthèses). Les essais se déroulent avec le produit d'origine, dans la plage de température et de pression prévue, avec des taux de remplissage et des tailles de charge réels ainsi qu'avec l'apport d'énergie planifié. Sont évalués la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, la nettoyabilité et la reproductibilité en service de série ultérieur.
Réalisation, exploitation et documentation en commun
Les essais sont réalisés, exploités et documentés conjointement avec les experts amixon®. L'objectif est le choix de l'appareil optimal et des paramètres de procédé appropriés pour l'application concrète, y compris le développement de recettes et l'optimisation de procédé. Le résultat est une base de décision solide : confirmation des paramètres de procédé dans des conditions réelles, sécurisation de la qualité du produit et de la rentabilité ainsi que minimisation des risques techniques et économiques avant l'investissement.
Transition sans rupture vers la production
Comme les mélangeurs d'essai et de production travaillent selon le même principe de mélange (outil SinConvex®, vitesse périphérique de 0,8 à 3,5 m/s, qualité de mélange indépendante du taux de remplissage) et que des tailles sont disponibles par pas de 100 litres jusqu'à 50 000 litres, les paramètres de la halle d'essais se transposent directement à la machine cible. Même après la mise en service, amixon® apporte son soutien lors des changements de produit et de la montée en échelle, avec le génie des procédés, le développement de produits et l'optimisation de procédé.
La fabrication à Paderborn comme fondement de la qualité
amixon® développe et fabrique exclusivement à l'usine de Paderborn, avec la plus grande intégration verticale 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 sans lacune en interne et chaque spécification est justifiable jusqu'au niveau du composant. Cette maîtrise de la fabrication assure en même temps l'approvisionnement à long terme. Chaque composant reste refabricable de façon reproductible même des décennies plus tard.
Un service sur l'ensemble du 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. Des pièces d'usure sélectionnées sont livrées dès la première livraison ; la plupart des pièces de rechange sont stockées sur le site de Paderborn, beaucoup d'autres dans les points de service au Japon et aux États-Unis, de sorte qu'un service de pièces de rechange à vie reste possible, même lorsque les fournisseurs d'origine disparaissent. De nombreuses machines amixon® sont en service quotidien depuis plus de 30 ans ; la modernisation et la mise à niveau les maintiennent à l'état de l'art.