Quelles options existent pour l'intégration de systèmes de dosage dans les mélangeurs de poudres ?
Les systèmes de dosage peuvent être intégrés directement au mélangeur, via une trémie intermédiaire, ou dans le cadre d'un procédé continu. La solution techniquement la meilleure dépend du comportement du produit, de la précision de dosage requise, du débit, du fonctionnement discontinu ou continu, de l'hygiène, du confinement et de la hauteur de construction disponible. Il n'existe pas d'architecture « meilleure » de façon générale.
Pour l'alimentation directe, des organes de dosage tels que des vis doseuses, des écluses à roue cellulaire ou des goulottes vibrantes sont raccordés directement à l'entrée du mélangeur. Cela réduit les points de transfert, les hauteurs de chute libre et les pertes de matière. Cette solution convient aux installations compactes, mais exige une synchronisation fiable entre le dosage et le mélangeur. Les doseurs volumétriques sont relativement simples, mais réagissent de façon sensible aux variations de masse volumique apparente, de comportement à l'écoulement ou de niveau de remplissage. Ils sont donc surtout pertinents pour des poudres stables et bien coulantes.
Pour les procédés par charges, une pesée gravimétrique en amont est souvent appropriée. Les composants sont alors dosés par masse dans un récipient de pesée ou directement sur une balance, puis transférés par charge dans le mélangeur. Ce principe est souvent désigné par le terme gain-in-weight : le poids croissant dans le système de pesage est mesuré. Il permet une attribution claire des recettes et une précision élevée, mais toujours dépendante du produit, de la plage de quantité et de l'installation. Les cellules de pesée doivent être découplées des vibrations, des efforts de tuyauterie et des charges mécaniques parasites.
Pour les procédés de mélange continus, des doseurs gravimétriques loss-in-weight sont fréquemment utilisés. Loss in weight signifie que la masse décroissante d'un réservoir de stockage est mesurée en continu ; la vitesse de rotation de l'organe de dosage est régulée de manière à respecter un débit massique prédéfini. Ce procédé peut mieux compenser les variations de masse volumique apparente et de flux de matière qu'un dosage purement volumétrique. Les phases de réapprovisionnement restent toutefois un point critique : pendant le remplissage, la régulation gravimétrique directe est limitée ou interrompue, ce qui impose de dimensionner soigneusement la taille du réservoir, le taux de réapprovisionnement, la stratégie de régulation et, le cas échéant, une mise en tampon.
La précision de dosage ne devrait pas être indiquée de façon générale avec des valeurs en pourcentage fixes. Elle dépend du produit, de la plage de dosage, du temps de dosage, de la résolution de pesage, du comportement à l'écoulement, de l'organe d'évacuation, du processus de réapprovisionnement, des perturbations environnementales et de la définition de la précision. En particulier pour de petites quantités et des poudres cohésives, la précision réellement atteignable peut s'écarter nettement des valeurs nominales. Elle devrait donc être vérifiée avec la matière d'origine et sur la plage de fonctionnement réelle.
Des vannes coniques peuvent être utilisées comme organes d'évacuation et d'arrêt sur des mélangeurs, des silos ou des récipients. Le levage d'un cône crée une fente d'évacuation annulaire. Avec une géométrie de récipient et un produit en vrac appropriés, cela peut favoriser un écoulement en masse : le produit se déplace alors sur toute la section du récipient et non seulement dans un canal d'écoulement central. L'écoulement en masse peut réduire la ségrégation, les zones mortes et les temps de séjour inégaux. Il n'est toutefois pas garanti par la vanne seule. L'angle de trémie, la taille de l'ouverture d'évacuation, le frottement pariétal, l'humidité du produit, la cohésion, la distribution granulométrique et l'aération doivent être considérés ensemble.
Une position de levage variable d'une vanne conique peut influencer le flux de produit et soutenir, pour certaines applications, un dosage grossier ou fin. Pour des remplissages gravimétriques précis, la vanne seule ne remplace toutefois généralement pas une technique de pesage et de régulation adaptée. Pour les poudres cohésives ou difficiles à écouler, des aides supplémentaires à la vibration, à l'aération ou à l'évacuation peuvent être nécessaires. Ces mesures doivent être dimensionnées avec précaution, car des vibrations ou des mouvements d'air incontrôlés peuvent favoriser la ségrégation dans des mélanges sensibles.
La commande de procédé doit verrouiller logiquement le doseur, le mélangeur et l'évacuation entre eux. Les conditions typiques sont : le mélangeur est prêt pour l'alimentation, la bonne recette est autorisée, la vanne d'évacuation est fermée, la pesée se situe dans la tolérance admissible et l'installation aval peut recevoir le produit. Les fins de course, les retours de position, les signaux de pesage, les valeurs de niveau de remplissage et les messages de défaut devraient être clairement documentés et intégrés dans la commande. Un automate programmable industriel, en abrégé API, peut exécuter ces déroulements ; pour la documentation des charges, les données de recette, de matière première et de procédé peuvent être transmises à des systèmes de niveau supérieur.
L'exécution constructive dépend du cas d'application. Pour l'agroalimentaire et la pharmacie, des géométries à faible espace mort et facilement nettoyables, des matériaux appropriés en contact avec le produit et, le cas échéant, le Cleaning in Place, en abrégé CIP, ou le Sterilization in Place, en abrégé SIP, sont pertinents. Le CIP désigne le nettoyage de parties d'installation en place sans démontage important ; le SIP désigne la stérilisation en place. Pour les poussières ou les gaz explosibles, le classement en zones, l'évaluation des sources d'inflammation et des mesures de protection appropriées doivent être pris en compte. Les produits abrasifs peuvent nécessiter des matériaux résistants à l'usure ou des pièces d'usure interchangeables. Pour les produits réactifs ou sensibles à l'oxygène, des systèmes fermés, une inertisation et des conditions de pression ou de vide définies peuvent être nécessaires.
Ainsi amixon® peut intégrer le dosage, l'évacuation et la périphérie
L'intégration de systèmes de dosage dans un mélangeur de poudres doit être planifiée comme une tâche globale comprenant la mise à disposition des matières, la pesée, l'alimentation, le mélange, l'évacuation, le transport et la commande. Les propriétés des produits en vrac, la précision de dosage requise, le mode de fonctionnement — par charges ou en continu —, l'aptitude au nettoyage requise, les exigences de confinement ainsi que les interfaces avec l'installation en amont et en aval sont déterminants. amixon® peut dimensionner la technique de mélange et les interfaces associées de façon spécifique au projet, sur la base de la User Requirement Specification, en abrégé URS. L'URS est le cahier des charges documenté de l'exploitant.
Côté évacuation, la vanne DosiFlap® peut favoriser, pour certaines applications, une distribution contrôlée du produit. Elle peut être disposée directement sous le mélangeur et permettre le transfert vers des big bags, des contenants, une technique de transport ou des étapes de procédé en aval. L'avantage d'une distribution directe réside dans le fait que des récipients intermédiaires supplémentaires et des points de transfert potentiels peuvent être évités. La question de savoir si un dosage suffisamment précis peut ainsi être atteint dépend toutefois du comportement à l'écoulement, de la masse volumique apparente, de la quantité évacuée, de la tolérance d'évacuation, de la caractéristique de la vanne, des conditions de pression et du concept de pesage existant. Pour des remplissages précis sur le plan gravimétrique, une technique de pesage adaptée est généralement nécessaire ; l'organe d'évacuation seul ne la remplace pas.
Selon les exigences du procédé, des tubulures normalisées avec clapet de sortie ou des vannes à segment sphérique résistantes à la pression et au vide peuvent également être utilisées. L'organe d'évacuation approprié doit correspondre au produit, à la géométrie du récipient, aux conditions de pression ou de vide possibles, à la stratégie de nettoyage et à l'installation aval. Une exécution à ras et à faible espace mort de la sortie peut réduire les résidus de produit et l'effort de nettoyage. Elle ne prouve toutefois pas de façon générale qu'aucun résidu ne subsiste au-dessus de la vanne. Des poudres adhérentes, humides, cohésives ou susceptibles de se charger électrostatiquement peuvent former des adhérences indépendamment de la géométrie. La performance de vidange et de nettoyage devrait donc être vérifiée avec le produit réel.
La technologie ComDisc® peut faciliter l'évacuation en acheminant vers la sortie les quantités de produit restant en fin de mélange. Selon les indications d'amixon®, des taux de vidange élevés allant jusqu'à environ 99,99 pour cent sont possibles selon le produit et l'application. Une vidange aussi complète que possible peut augmenter le rendement produit, faciliter les changements de produit et réduire les quantités résiduelles. La vidange réellement atteignable dépend toutefois de l'adhérence du produit, de l'humidité, de la taille des particules, de la masse volumique apparente, de la géométrie de l'appareil et du mode d'exploitation. Une vidange exempte de ségrégation ne peut être évaluée que pour la recette concrète et la voie d'évacuation réelle.
Pour les procédés continus, le mélangeur continu amixon® type AMK montre comment le dosage, le volume de mélange et l'évacuation peuvent être coordonnés entre eux. En début de production, l'évacuation reste d'abord fermée. Les doseurs gravimétriques démarrent simultanément avec un faible débit massique et sont coordonnés entre eux. Une fois le récipient rempli à environ la moitié, le fonctionnement en mélange commence. À un taux de remplissage d'environ 80 pour cent, l'évacuation s'ouvre progressivement ; le taux de remplissage est ensuite maintenu à ce niveau via les débits de dosage. En fin de production, les débits de dosage sont réduits de façon contrôlée et le mélangeur est vidangé. Ce concept peut réduire les pertes au démarrage et à l'arrêt et favoriser un fonctionnement stable. La question de savoir si cela permet réellement d'éviter des pertes de produit ou des produits hors spécification dépend toutefois de la précision de dosage, des variations des matières premières, de la régulation du procédé, de la tâche de mélange et des critères de qualité définis.
Des principes similaires s'appliquent aux installations discontinues. Une pesée automatique des recettes peut saisir les composants selon des quantités théoriques prédéfinies et les transférer dans le mélangeur dans un ordre défini. Pour cela, les appareils de dosage, les cellules de pesée, les réservoirs de stockage, la technique de transport, le mélangeur et l'évacuation doivent être reliés par une logique de commande et de verrouillage claire. Par exemple, le mélangeur ne devrait être alimenté que lorsque la recette est autorisée, l'organe d'évacuation fermé, un volume de récipient suffisant disponible et le procédé dans un état de fonctionnement sûr. Après la phase de mélange, l'installation aval ou le système de remplissage doit être prêt avant que l'évacuation ne soit autorisée.
amixon® fabrique la technique de mélange ; les doseurs, les tamiseuses, la technique de transport et d'autres équipements périphériques peuvent être intégrés dans le cadre du projet. Pour cela, les dimensions de raccordement mécanique, les hauteurs de transfert, les capacités de transport, les débits, les volumes tampons, les flux de matière, les transferts de signaux et les responsabilités doivent être définis dès le début. Les mélangeurs verticaux compacts peuvent faciliter l'intégration, car les matières premières sont souvent introduites par le haut et les produits évacués vers le bas. Le principe de gravité ne fonctionne toutefois que si les hauteurs de chute, les angles de trémie, le comportement à l'écoulement, les risques de formation de voûtes, la conduite des poussières et la hauteur de construction disponible sont suffisamment pris en compte.
La commande relie la pesée, le dosage, le procédé de mélange et le remplissage. Les recettes peuvent être enregistrées dans un automate programmable industriel, en abrégé API, et exécutées pour chaque charge. Un API est un ordinateur industriel destiné à la commande de machines et de procédés. Une connexion spécifique au projet à un système de planification des ressources de l'entreprise, en abrégé système ERP, et une identification des matières par code-barres peuvent soutenir la traçabilité des charges. Un système ERP sert à la planification et à la gestion des commandes, des matières et des ressources. Pour que la recette, le lot de matière première, les quantités théoriques et réelles, les paramètres de procédé et l'évacuation soient correctement reliés entre eux, le modèle de données, les horodatages, la version de recette, les droits d'utilisateur, le comportement de communication et la gestion des écarts doivent être clairement définis.
Le dimensionnement d'une nouvelle solution de dosage ou d'évacuation ne devrait pas reposer uniquement sur des valeurs d'expérience. Dans la halle d'essais amixon®, des essais avec le produit d'origine peuvent être réalisés. Selon les indications d'amixon®, plus de 30 installations d'essai de tailles différentes sont disponibles à Paderborn ; des centres d'essai complémentaires existent au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis. Selon la tâche, il est possible d'évaluer la qualité de mélange, l'aptitude au dosage, la répartition du liquide, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, l'aptitude à la vidange et l'aptitude au nettoyage. Les résultats peuvent soutenir le dimensionnement et la définition des paramètres de départ. Ils réduisent les risques techniques avant un investissement, mais ne remplacent pas la réception des performances et, le cas échéant, la qualification de la ligne de production complète chez l'exploitant.
La conception hygiénique de l'installation de mélange peut soutenir une intégration propre et maîtrisée. amixon® décrit, pour certaines exécutions, des zones en contact avec le produit à faible nombre de joints et polies, un outil de mélange monté uniquement en partie haute, ainsi que des portes d'inspection Clever-Cut® avec joints OmgaSeal®. Ces caractéristiques peuvent améliorer l'accessibilité et l'aptitude au nettoyage et réduire les points d'étanchéité en contact avec le produit. Des lances de lavage ainsi que le Cleaning in Place, en abrégé CIP, ou le Wet in Place, en abrégé WIP, peuvent être prévus selon le projet. Le CIP désigne le nettoyage en place sans démontage important. Le WIP décrit un nettoyage humide en place. L'efficacité réelle du nettoyage doit être démontrée pour le produit, la salissure et le procédé de nettoyage ; une lance de lavage ou un déroulement de nettoyage automatisé n'est pas automatiquement un nettoyage validé.