Quels indicateurs déterminent l'efficacité énergétique d'un mélangeur et quel est leur impact sur le TCO ?
L'efficacité énergétique d'un mélangeur industriel n'est pas déterminée par un seul indicateur. Ce qui est déterminant, c'est l'interaction entre l'apport d'énergie, le temps de mélange, la qualité de mélange atteinte, le débit de produit, le rendement de l'entraînement et les besoins énergétiques des équipements auxiliaires. Pour une évaluation économique, ces valeurs doivent toujours être considérées en lien avec le produit, la recette, le taux de remplissage, l'objectif de procédé et le concept d'installation.
Apport d'énergie spécifique
L'apport d'énergie spécifique décrit l'énergie nécessaire par kilogramme, tonne ou mètre cube de produit pour un procédé de mélange. L'indicateur peut par exemple être exprimé en kilowattheures par tonne ou en kilowattheures par mètre cube. Il convient particulièrement bien pour comparer différentes charges, paramètres de procédé ou systèmes de mélange, à condition que la même tâche de mélange et la même qualité cible soient à la base.
Un apport d'énergie spécifique faible n'est un avantage que si la qualité de mélange requise, le ménagement du produit et la reproductibilité sont atteints. Un mélangeur à très faible besoin énergétique peut être inadapté s'il nécessite des temps de mélange trop longs ou n'atteint pas de façon sûre l'homogénéité de la recette.
Puissance absorbée et puissance spécifique
La puissance absorbée indique la puissance électrique que l'entraînement absorbe pendant le fonctionnement. La puissance spécifique rapporte cette puissance au volume de mélange ou à la masse de produit. Elle peut être exprimée en kilowatts par mètre cube ou en kilowatts par kilogramme.
Pour les produits très visqueux, cohésifs ou fortement compactés, la puissance spécifique est souvent une valeur de dimensionnement importante. Elle influence le dimensionnement du moteur, du réducteur, des arbres, des outils de mélange et de l'infrastructure électrique. Une puissance installée élevée ne signifie cependant pas automatiquement une consommation d'énergie élevée par charge. Ce qui est déterminant, ce sont la puissance, le temps de mélange et le profil de charge pris ensemble.
Temps de mélange et durée de charge
Le temps de mélange décrit la durée jusqu'à l'atteinte d'une qualité de mélange définie. Il influence l'énergie par charge, le débit et la disponibilité de l'installation. Un temps de mélange court peut réduire la consommation d'énergie et les coûts par charge, à condition qu'il soit atteint sans apport de puissance excessif, dommage au produit ou ségrégation.
La durée de charge complète comprend, outre le mélange proprement dit, le remplissage, le dosage, la mise en température, la vidange, le nettoyage et, le cas échéant, le séchage. Pour le TCO, cette durée totale est souvent plus importante que le seul temps de mélange. Des temps de changement, de nettoyage ou de vidange longs peuvent annuler l'avantage économique d'une phase de mélange courte.
Qualité de mélange et reproductibilité
L'efficacité énergétique d'un mélangeur doit toujours être mesurée à l'aune de la qualité de produit atteinte. Les critères pertinents sont par exemple la répartition des concentrations, la distribution des particules, la répartition de l'humidité, la dissolution des agglomérats, l'homogénéité de la température ou la viscosité. Il n'existe pas d'indicateur de qualité de mélange universellement valable, car la méthode d'évaluation dépend de la tâche de mélange respective.
Ce qui est déterminant, c'est le rapport entre l'apport d'énergie, le temps de mélange et la qualité de mélange atteinte de façon sûre. Un procédé est particulièrement économique lorsqu'il atteint de façon reproductible l'homogénéité requise, sans solliciter inutilement le produit ou engager plus d'énergie que nécessaire.
Indicateurs hydrauliques pour les liquides et les suspensions
Pour les produits liquides, pâteux ou de type suspension (slurry), les indicateurs hydrauliques peuvent être importants. En font partie la capacité de recirculation, le débit volumique, la vitesse d'écoulement et la sollicitation de cisaillement. La capacité de pompage décrit ici l'aptitude d'un outil de mélange à faire recirculer le produit dans la cuve.
Une capacité de recirculation élevée peut accélérer l'homogénéisation. Elle n'est cependant pas automatiquement économe en énergie si le débit élevé entraîne un endommagement du produit, un entraînement d'air, une formation de mousse ou un apport d'énergie inutile. L'action d'écoulement et de cisaillement adaptée dépend de la viscosité, de la proportion de particules et de la sensibilité du produit.
Nombre de puissance et autres indicateurs adimensionnels
Le nombre de puissance décrit le besoin de puissance d'un organe agitateur en fonction de la géométrie de l'outil, de la vitesse de rotation, de la densité du fluide et du régime d'écoulement. Il constitue, notamment pour les milieux liquides et les procédés d'agitation classiques, une grandeur importante de dimensionnement et de comparaison. Sa pertinence pour les poudres sèches est en revanche limitée, car la gravité, le frottement pariétal, la cohésion et les contacts entre particules y influencent fortement le comportement au mélange.
D'autres indicateurs comme le nombre de Reynolds ou le nombre de Froude peuvent être pertinents lors du dimensionnement et de la montée en échelle. Ils ne remplacent cependant pas les essais avec le produit réel, en particulier pour les solides en vrac cohésifs, humides, abrasifs ou sujets à la ségrégation.
Rendement de la chaîne d'entraînement
Le rendement global de la chaîne d'entraînement comprend le moteur, le variateur de fréquence, le réducteur, les paliers et les joints. Des moteurs efficients, des rapports de réducteur adaptés et de faibles pertes mécaniques réduisent le besoin en électricité. Le choix ne devrait cependant pas s'effectuer uniquement selon la classe de rendement la plus élevée. Le comportement en charge partielle, les changements de charge, le besoin en couple, l'effort de maintenance et la sécurité du procédé sont également pertinents.
Les variateurs de fréquence permettent un démarrage contrôlé et l'adaptation de la vitesse de rotation au produit et à la phase de procédé. Cela peut économiser de l'énergie et réduire les sollicitations mécaniques. La consommation propre du variateur de fréquence et le mode de fonctionnement réel devraient cependant être intégrés à l'évaluation.
Équipements auxiliaires et besoin énergétique thermique
Pour les mélangeurs chauffés, refroidis, fonctionnant sous vide ou inertés, ce n'est pas seulement l'entraînement de mélange qui détermine le besoin énergétique. Les circuits de chauffage et de refroidissement, les pompes à vide, les condenseurs, les filtres, l'air comprimé et l'alimentation en gaz inerte peuvent représenter une part considérable de la consommation totale.
Des pertes de puissance plus faibles et un apport d'énergie adapté peuvent réduire le dégagement de chaleur dans le produit. Le besoin de refroidissement peut ainsi diminuer. Pour les procédés de séchage, le bilan énergétique complet doit cependant être considéré. Le vide peut abaisser la température de produit requise, mais ne réduit pas automatiquement le besoin énergétique total de la production du vide, de la condensation et de l'évaporation.
Influence sur le coût total de possession
Les indicateurs énergétiques influencent directement le TCO via la consommation d'électricité, de chaleur, de froid, d'air comprimé et de gaz inerte. En cas de taux d'utilisation élevé ou de procédés énergivores, même des améliorations comparativement faibles de la consommation d'énergie spécifique peuvent devenir économiquement pertinentes sur de nombreuses années.
L'influence indirecte peut être encore plus importante. Un apport d'énergie adapté au produit réduit le risque de dommage au produit, de rebut, de retouches et d'arrêts non planifiés. Des sollicitations dynamiques plus faibles peuvent réduire l'usure des paliers, des joints, des réducteurs et des outils de mélange. Cela peut allonger les intervalles de maintenance et améliorer la disponibilité de l'installation.
Des durées de charge courtes et reproductibles augmentent le débit de l'installation existante. Les coûts fixes par unité produite diminuent ainsi. Une qualité de mélange élevée avec un faible rebut peut être économiquement plus importante que la seule économie d'énergie électrique, en particulier pour les matières premières de grande valeur ou les produits critiques pour la qualité.
Une évaluation TCO solide ne compare donc pas seulement la puissance moteur ou l'énergie par tonne. Elle considère l'ensemble de la chaîne de procédé, composée de la consommation d'énergie, du temps de mélange, du débit, de la qualité de produit, du rebut, de l'effort de nettoyage, de la maintenance, de la disponibilité de l'installation et des coûts de la périphérie requise.
Ainsi amixon® évalue l'efficacité énergétique, la performance de nettoyage, le TCO et l'amortissement d'un mélangeur industriel
L'efficacité énergétique d'un mélangeur n'est pas déterminée uniquement par la puissance moteur. Ce qui est déterminant, c'est de savoir si la qualité de mélange requise, le ménagement du produit et la reproductibilité sont atteints avec un apport d'énergie adapté au produit. Pour le coût total de possession, les pertes de produit, les temps de nettoyage et de changement, la maintenance, l'approvisionnement en pièces de rechange, la disponibilité de l'installation et l'utilisabilité à long terme de l'installation sont également pertinents.
amixon® considère ces facteurs comme un système global cohérent. Les indicateurs les plus importants sont l'apport d'énergie spécifique, le temps de mélange, la durée de charge complète, la qualité de mélange atteignable, la vidange résiduelle, l'effort de nettoyage, la disponibilité de l'installation ainsi que le besoin énergétique des équipements auxiliaires requis.
Apport d'énergie et temps de mélange
Les indications générales sur la consommation d'énergie par tonne de produit n'ont qu'une portée limitée pour les mélangeurs industriels. Le besoin énergétique réel dépend de la recette, de la taille de charge, du taux de remplissage, de la masse volumique apparente, de la viscosité, du temps de mélange, de la température et de l'apport d'énergie requis.
Selon leur type de construction et la tâche de mélange, les mélangeurs amixon® travaillent avec de faibles vitesses périphériques. Le mode de fonctionnement à basse vitesse peut réduire le frottement, la sollicitation par impact et les charges dynamiques. Pour les poudres sensibles, à bon écoulement ou sujettes à la ségrégation, une recirculation de produit à grande échelle peut atteindre la qualité de mélange requise avec un apport d'énergie comparativement faible.
Un temps de mélange court ne réduit pas automatiquement la consommation d'énergie. Un temps de mélange court est économique lorsque l'homogénéité requise est atteinte sans vitesse de rotation excessive, action de cisaillement inutile ou dommage au produit. Le temps de mélange et l'apport d'énergie doivent donc être évalués pour chaque recette avec le produit d'origine.
Le silo-mélangeur Gyraton® GM est conçu pour des charges de grand volume allant jusqu'à environ 100 mètres cubes. Le principe de mélange permet l'homogénéisation de grandes quantités de produit avec une puissance d'entraînement installée comparativement faible. Cela peut, en particulier pour de grandes quantités de solides en vrac à bon écoulement, limiter le besoin énergétique par charge. La consommation d'énergie réelle est évaluée avec le produit concret, le taux de remplissage et l'objectif de procédé.
Vidange résiduelle et perte de produit
La perte de produit est un facteur TCO essentiel, en particulier pour les matières premières de grande valeur, les principes actifs, les additifs ou les petites charges. Chaque quantité résiduelle restant dans le mélangeur ne provoque pas seulement une perte de matière directe. Elle peut aussi allonger le nettoyage, influencer les charges suivantes et augmenter le risque de contamination croisée.
Les gammes amixon® AM et KS sont conçues pour une vidange résiduelle poussée. Les outils de vidange ComDisc® soutiennent la vidange du produit résiduel de la chambre de mélange. Le degré de vidange atteignable dépend toujours des propriétés du produit telles que l'humidité, la forme des particules, la cohésion, la masse volumique apparente, l'abrasivité et la tendance à l'adhérence.
Une vidange résiduelle poussée peut réduire la perte de matière première, raccourcir le temps de nettoyage et augmenter la productivité de l'installation. Elle influence ainsi le TCO souvent plus fortement qu'une faible différence dans la puissance électrique absorbée de l'entraînement de mélange.
Nettoyage programmable à jet dirigé
Les temps de nettoyage et de changement représentent une part essentielle des coûts totaux d'exploitation pour les installations multiproduits. Notamment dans les industries alimentaire, pharmaceutique, chimique et de la chimie fine, la durée entre deux charges détermine le temps d'exploitation productif de l'installation.
amixon® peut équiper les installations de mélange de buses de nettoyage programmables à jet dirigé. Les buses sont orientées de façon ciblée vers les surfaces en contact avec le produit, les outils de mélange, les géométries de la chambre de mélange et les zones de vidange. Des programmes de nettoyage peuvent piloter les buses selon des séquences définies et ainsi soutenir un mouillage reproductible des surfaces pertinentes.
Le nettoyage programmable à jet dirigé peut réduire l'eau, les produits de nettoyage et le temps de nettoyage lorsqu'il est adapté à l'adhérence du produit, à la géométrie de la cuve et à la tâche de nettoyage. Il peut réduire les travaux de nettoyage manuels et accélérer le changement entre différentes recettes. La performance de nettoyage requise doit cependant être validée pour le produit, le milieu de nettoyage et les critères de libération.
Séchage rapide après nettoyage humide
Après un nettoyage humide, le séchage de la chambre de mélange est souvent une étape déterminante. Une humidité résiduelle peut affecter les produits suivants, retarder la libération et allonger le temps d'arrêt de l'installation. Cela vaut en particulier pour les poudres hygroscopiques, les recettes sensibles à l'humidité ou les applications à exigences élevées de pureté du produit.
amixon® peut concevoir les installations de mélange de façon à sécher en très peu de temps la chambre de mélange nettoyée et humide. La chambre de mélange est alors traversée par de l'air de procédé ou du gaz inerte guidé de façon ciblée. L'outil de mélange soutient la répartition de l'écoulement dans l'espace intérieur et peut accélérer le séchage des surfaces en contact avec le produit.
Même avec de l'eau de nettoyage froide, un séchage rapide peut être possible si le guidage de l'air, le débit volumique, la température, le vide, le niveau de pression et l'évacuation du condensat sont adaptés les uns aux autres. Le temps de séchage atteignable dépend de la taille de la cuve, des surfaces, de l'eau résiduelle, de l'humidité de l'air, de la température et du procédé de séchage prévu. L'utilité réside dans une réduction du temps d'arrêt, des changements de produit plus courts et une disponibilité accrue de l'installation de mélange.
Maintenance et disponibilité à long terme
La technique de mélange amixon® est conçue pour des constructions robustes, de faibles charges dynamiques et une bonne accessibilité pour l'inspection et le nettoyage. L'outil de mélange est exclusivement monté en partie haute. Un passage d'arbre inférieur en contact avec le produit peut ainsi être supprimé. Cela réduit une zone potentiellement exigeante en maintenance au sein de la chambre de mélange.
La combinaison d'un mode de fonctionnement à basse vitesse, d'une construction peu sujette à l'usure et de documents de construction disponibles à long terme peut réduire l'effort de maintenance et les risques liés aux pièces de rechange. Des pièces d'usure sélectionnées peuvent déjà être fournies dès la première livraison. En cas de besoin de pièces de rechange, de transformations ou de modernisations, la construction, la fabrication et le service amixon® soutiennent l'utilisation à long terme de l'installation.
Données d'essai solides plutôt que valeurs de catalogue
Un calcul solide de TCO, de ROI ou d'amortissement devrait s'appuyer sur des données documentées avec le produit d'origine. Dans la halle d'essais amixon®, le temps de mélange, la consommation d'énergie, la qualité de mélange, le ménagement du produit, la vidangeabilité, les quantités résiduelles, l'effort de nettoyage, le temps de séchage et le temps de changement peuvent être évalués dans des conditions réalistes.
Dans la halle d'essais amixon® du site de Paderborn, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles. Des centres d'essais complémentaires existent au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Les essais peuvent être réalisés avec des taux de remplissage réalistes, des tailles de charge ainsi que les conditions de température et de pression prévues.
Les résultats sont documentés et constituent la base pour le choix de la taille, la définition des paramètres de procédé et l'évaluation économique. amixon® n'évalue donc pas l'efficacité énergétique isolément comme une simple consommation électrique de l'entraînement. Ce qui est déterminant, c'est l'ensemble du procédé, composé du temps de mélange, de l'apport d'énergie, de la perte de produit, du nettoyage, du séchage, de la maintenance, de la disponibilité de l'installation et de l'utilisabilité à long terme.