Pour les sécheurs-mélangeurs sous vide soumis à des cycles de température rapides, les garnitures mécaniques à soufflet métallique ainsi que les systèmes de garniture mécanique double avec fluide de barrage contrôlé conviennent avant tout. En cas d'exigence de haute pureté, ou lorsqu'un entraînement de liquide de barrage dans le produit doit être exclu, des garnitures à barrière gazeuse ou – dans des conditions de service appropriées – lubrifiées au gaz entrent en considération. Le choix ne doit toutefois jamais reposer uniquement sur la température maximale. Sont déterminants l'ensemble du profil de température, le niveau de vide, la vitesse de rotation et le mouvement axial de l'arbre de mélange, la résistance chimique au produit, au solvant et aux agents de nettoyage, l'étanchéité exigée, le besoin d'ATEX et d'inertage ainsi que le concept de nettoyage et de maintenance.

La garniture dynamique d'arbre est, sur le sécheur-mélangeur sous vide, le point d'étanchéité le plus exigeant. Elle doit assurer l'étanchéité de l'arbre de mélange rotatif par rapport à l'espace sous vide et absorber en même temps les mouvements relatifs entre l'arbre, le boîtier de garniture, le palier et la cuve. Lorsque l'enveloppe ou le produit à mélanger est chauffé ou refroidi rapidement, ces composants se dilatent de façon différente en intensité et dans le temps. L'arbre peut s'allonger axialement, le boîtier peut se déformer radialement, et des gradients de température élevés peuvent apparaître dans la zone de la garniture. Une garniture inadaptée peut de ce fait se coincer, perdre de la précontrainte, s'user de façon excessive ou provoquer une fuite.

Pour de telles applications, une garniture mécanique à soufflet métallique convient particulièrement bien. Le soufflet métallique assure la mobilité axiale et fournit la précontrainte des faces de glissement. Il peut ainsi absorber les variations de longueur thermiques de l'arbre, sans que des joints toriques élastomères glissant dynamiquement sur l'arbre ne soient nécessaires. Ce sont précisément ces joints toriques élastomères dynamiques qui peuvent poser problème en cas de forts cycles de température, de solvants agressifs, d'adhérences de produit ou de dépôts. Ils peuvent gonfler, rétrécir, durcir ou voir leur mouvement entravé par le frottement et les dépôts. Les garnitures à soufflet métallique évitent largement ce risque et sont donc utilisées pour le vide, les températures élevées, les produits chimiques agressifs et les conditions de procédé fortement variables.

Le soufflet métallique lui-même doit être constitué d'un matériau résistant au milieu concerné et aux cycles de température qui se produisent. Selon l'application, des aciers inoxydables fortement alliés ou des alliages à base de nickel entrent en considération. Le choix dépend entre autres des acides, des bases, des chlorures, des solvants, de la température, de l'humidité, d'une éventuelle corrosion sous contrainte et du nombre de cycles thermiques attendu. Le choix des faces de glissement est tout aussi important. Des associations de matériaux durs comme le carbure de silicium, le carbure de tungstène ou les matériaux carbonés peuvent être utilisées selon l'état de lubrification, l'abrasivité, le vide, la température et la contamination admissible. Il n'existe pas d'association de matériaux universellement valable, car l'aptitude dépend fortement du produit, de la vitesse de rotation et des conditions de service.

Pour les sécheurs-mélangeurs sous vide exigeants, une garniture mécanique double est souvent la solution globale la plus robuste. Elle se compose de deux étages d'étanchéité disposés l'un derrière l'autre, avec un espace intermédiaire contrôlé. Cet espace de barrage peut être exploité avec un liquide de barrage ou avec un gaz de barrage. Le second niveau d'étanchéité améliore la sécurité du procédé, complique l'entrée d'air ambiant dans le procédé sous vide et limite, en cas de défaillance, une éventuelle fuite de produit vers l'environnement. Cela est particulièrement pertinent pour les produits toxiques, inflammables, à forte odeur ou de grande valeur.

Dans une garniture double à barrage liquide, le fluide de barrage remplit plusieurs fonctions. Il lubrifie et refroidit les faces de glissement, évacue la chaleur de frottement et peut amortir les variations de température dans la zone de garniture. Un thermosiphon ou un groupe de circulation externe veille à ce que la pression, la température, le niveau de liquide et, le cas échéant, le débit restent dans la plage requise. En cas de cycles de température rapides en particulier, la thermorégulation contrôlée du fluide de barrage peut nettement améliorer la durée de vie de la garniture. La charge thermique sur les faces de glissement internes est réduite, les éléments d'étanchéité secondaires sont ménagés et le risque de déformation dans la zone de garniture diminue. Les garnitures doubles à soufflet métallique associent ainsi la capacité de compensation thermique du soufflet métallique à la fonction de sécurité et de surveillance supplémentaire d'un système de barrage.

La pression de barrage doit correspondre au concept de garniture et à la pression de procédé. Dans le cas d'un barrage liquide sous pression, la pression de barrage est habituellement maintenue au-dessus de la pression de procédé. En fonctionnement sous vide, il convient de vérifier en particulier si, en cas de fuite interne, du liquide de barrage pourrait pénétrer dans le produit. Dans les procédés pharmaceutiques, de chimie fine ou de haute pureté, le fluide de barrage doit donc être évalué dans le cadre de l'analyse de confinement, de nettoyage et de risque. Selon l'application, une huile thermique appropriée, un mélange eau-glycol ou un fluide de barrage pharmaceutiquement acceptable peuvent par exemple être utilisés. Le choix dépend de la conséquence qu'aurait un éventuel entraînement de traces dans le produit.

Lorsque l'entraînement d'un liquide de barrage est indésirable ou non admissible, une garniture mécanique double à barrière gazeuse peut être judicieuse. On utilise ici souvent l'azote comme gaz de barrage. Le flux de gaz forme une barrière définie entre le procédé et l'environnement et peut contribuer en même temps à l'inertage. Cela est avantageux pour les produits sensibles à l'oxydation ou à l'humidité, ainsi que pour les solvants inflammables. En cas de cycles de température rapides, l'alimentation en gaz doit toutefois être régulée de façon particulièrement stable, car la pression et le volume du gaz varient lors du réchauffement et du refroidissement. La pression du gaz de barrage, la consommation, la température dans l'espace de garniture et l'évacuation d'éventuels flux de fuite devraient être surveillées. Un système d'étanchéité de mélangeur-sécheur fonctionnant à sec avec barrière d'azote ou d'air peut utiliser la pression dans l'espace de garniture comme indicateur d'état et est disponible spécifiquement pour les applications avec de fortes variations de température et des dilatations thermiques.

Les garnitures lubrifiées au gaz et sans contact – souvent appelées Dry-Gas-Seals – sont une forme spéciale de la technique à barrière gazeuse. Des faces de glissement à structuration spéciale génèrent, pour une rotation appropriée, un mince coussin de gaz. Les faces de glissement ne se touchent alors pratiquement plus en fonctionnement normal. Le frottement, l'usure et l'apport de chaleur diminuent en conséquence. De tels systèmes peuvent être intéressants pour des exigences de pureté très élevées et des conditions de service appropriées. Ils nécessitent toutefois des faces d'étanchéité fabriquées avec précision, une alimentation en gaz stable, une régulation de pression sûre et des conditions de service suffisantes. Sur les outils de mélange à faible vitesse et fort couple, toutes les garnitures lubrifiées au gaz ne conviennent pas de la même manière. L'aptitude concrète doit donc être évaluée avec le fabricant de la garniture et en tenant compte des états de démarrage, d'arrêt et de fonctionnement d'urgence.

Outre la garniture dynamique d'arbre, tous les raccords statiques doivent être étanches au vide. En font partie les couvercles de trou d'homme, les portes d'inspection, les hublots, les brides, les raccords de capteurs, les boîtiers de filtre, les raccords de l'enveloppe chauffante et les organes d'évacuation. Différents matériaux d'étanchéité sont disponibles pour ces applications. Le FFKM convient aux produits chimiques très agressifs, aux températures élevées et aux agents de nettoyage exigeants. Le FKM est une solution répandue et économique pour de nombreux solvants organiques, huiles et températures modérées à plus élevées. L'EPDM convient particulièrement à l'eau chaude, à la vapeur et aux agents de nettoyage aqueux, mais il est inadapté à de nombreuses huiles, graisses et solvants apolaires. Le PTFE et le PTFE modifié possèdent une très large résistance chimique et une faible réactivité, mais nécessitent, en raison de leur comportement au fluage à froid, un support constructif adapté. Les bagues en C, bagues en E ou joints spiralés métalliques peuvent être judicieux en cas de températures élevées, de fortes différences de pression ou d'exigences particulièrement élevées de stabilité dimensionnelle, mais ils posent des exigences plus élevées en matière de géométrie de bride, de qualité de surface et de forces de montage.

Pour les garnitures statiques, la géométrie de gorge correcte est tout aussi importante que le matériau. La garniture doit rester suffisamment comprimée sur toute la plage de température, mais ne doit pas être sollicitée si fortement qu'elle soit endommagée par les cycles de température, le gonflement ou une déformation permanente. Un taux de compression défini, une profondeur et une largeur de gorge appropriées, des surfaces propres, un boulonnage de bride uniforme et des couples de serrage contrôlés sont donc des conditions essentielles pour une étanchéité au vide durable. Pour les raccords critiques, des garnitures enveloppées de PTFE avec âme élastique ou des garnitures à support métallique peuvent associer les avantages d'une résistance chimique élevée à une stabilité dimensionnelle supplémentaire.

L'intégration constructive de la garniture dans le sécheur-mélangeur sous vide est au moins aussi importante que la garniture elle-même. La zone de garniture devrait être thermorégulée aussi uniformément que possible, afin que l'arbre, le boîtier de garniture et la bride ne travaillent pas avec des températures fortement différentes. Un refroidissement ou une thermorégulation ciblés du boîtier de garniture peuvent maintenir la température des garnitures secondaires, des paliers et des faces de glissement dans la plage admissible. Les dilatations thermiques axiales et radiales devraient en même temps être prises en compte de façon constructive. De grands arbres de mélange peuvent s'allonger nettement en cas de fortes différences de température. Les garnitures à soufflet métallique s'y prêtent particulièrement bien, car elles peuvent absorber le mouvement axial de façon élastique. Un exemple de garniture pour sécheurs et réacteurs horizontaux est explicitement conçu pour maintenir le vide en toute sécurité pendant de fortes variations de température et des dilatations thermiques.

Un concept de garniture solide nécessite en outre une surveillance d'état continue. Pour les systèmes à liquide de barrage, au moins la pression de barrage, la température, le niveau et, le cas échéant, le débit devraient être surveillés. Pour les systèmes à barrière gazeuse, la pression du gaz, la consommation de gaz, la qualité du gaz et l'évacuation des gaz sont pertinentes. En complément, la pression différentielle entre le procédé, l'espace de barrage et l'atmosphère, la température au niveau du boîtier de garniture, la température de palier, les vibrations et le couple d'entraînement peuvent fournir des indications importantes sur l'usure, les fuites, les adhérences de produit ou le voile de l'arbre. Les seuils d'alarme, la logique d'arrêt, les intervalles d'inspection et un concept de maintenance préventive devraient déjà être définis lors du dimensionnement.

En pratique, pour un sécheur-mélangeur sous vide soumis à des cycles de température fréquents et rapides, une garniture mécanique double à soufflet métallique avec système de barrage surveillé est souvent la solution de départ privilégiée. Elle absorbe les mouvements thermiques de l'arbre, évite les joints toriques élastomères à glissement dynamique et offre, avec le second niveau d'étanchéité, une sécurité de procédé élevée. Une exécution à barrage liquide est avantageuse lorsque le refroidissement et la lubrification des faces de glissement sont particulièrement importants et qu'un fluide de barrage compatible peut être toléré. Une exécution à barrière gazeuse est préférée lorsque la présence de liquide de barrage dans le produit est indésirable, ou lorsque le procédé est de toute façon inerté à l'azote. Pour des cycles de température extrêmes, des milieux agressifs et des exigences de vide élevées, les constructions à soufflet métallique sont généralement plus robustes que les garnitures mécaniques poussées classiques à élastomères mobiles dynamiquement.