Comment sécuriser la montée en échelle de charges de laboratoire de 20 litres vers une production de 2 000 litres sans perdre en qualité de mélange ?
Une montée en échelle sécurisée repose sur la combinaison de la similitude géométrique, du choix de nombres caractéristiques pertinents pour le procédé et d'une vérification par mesure et par modélisation aux échelles intermédiaire et de production. L'objectif est de conserver la qualité de mélange de façon reproductible malgré l'agrandissement d'échelle d'un facteur 100.
Assurer la similitude géométrique
La géométrie de la cuve, de l'agitateur et des éléments internes devrait être exécutée de façon aussi proportionnelle que possible aux deux échelles, afin que les profils d'écoulement, les zones mortes et le comportement de brassage restent comparables. En font partie en particulier des rapports tels que le diamètre de cuve sur la hauteur de remplissage, le diamètre d'agitateur sur le diamètre de cuve ainsi que la position des éléments internes et des entrées.
Fixer la bonne grandeur de mise à l'échelle
Il n'existe pas de critère de montée en échelle universel ; ce qui est déterminant, c'est la finalité du procédé. Les points de départ typiques sont l'apport de puissance spécifique P/V, la vitesse en bout de pale, le temps de mélange, le nombre de Reynolds, le nombre de Froude et, pour les procédés dispersifs ou dominés par la réaction, également la dissipation locale d'énergie. Tous les nombres caractéristiques ne peuvent pas être maintenus constants en même temps ; la grandeur cible dominante doit donc être choisie en fonction du procédé.
Analyser le régime de mélange
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.
Avant le transfert à l'échelle de production, il convient de clarifier si le procédé est avant tout limité par le micromélange, le mésomélange ou le macromélange. Avec des réactions rapides, des précipitations ou des suspensions sensibles, c'est souvent la situation locale de cisaillement et de dissipation au voisinage de l'agitateur qui est déterminante, et non seulement le temps de mélange moyen.
Utiliser une échelle intermédiaire et réduire le risque
Un saut direct de 20 l à 2 000 l est techniquement possible, mais risqué. Une échelle pilote ou de halle d'essais dans la plage d'environ 100 à 300 l permet de vérifier la règle de mise à l'échelle choisie, de reconnaître tôt les écarts et de vérifier des paramètres tels que la vitesse de rotation, la puissance absorbée et le temps de mélange.
Recourir à la CFD et au DoE
Les simulations CFD aident à évaluer les profils d'écoulement, les zones mortes, les écoulements de court-circuit et les gradients de cisaillement à l'échelle cible, avant que des modifications d'installation coûteuses ne soient entreprises. En combinaison avec un Design of Experiments, les grandeurs d'influence critiques peuvent être étudiées systématiquement et des fenêtres de fonctionnement robustes définies.
Mesurer objectivement la qualité de mélange
La qualité de mélange effective devrait être sécurisée non seulement par le calcul, mais aussi par l'analyse de procédé, par exemple au moyen de mesures in-line de la conductivité, de la turbidité, de signaux spectroscopiques ou d'autres signaux PAT. Servent alors de nombres caractéristiques, par exemple, le coefficient de variation et le temps de mélange mesuré, afin d'évaluer quantitativement l'état à l'échelle de production.
Prendre en compte les conditions thermiques et d'exploitation
Avec le volume croissant, le rapport de la surface de transfert de chaleur au volume se dégrade, ce qui rend le chauffage et le refroidissement plus lents. En outre, les points de dosage, l'aération, le niveau de remplissage, le comportement au démarrage et à l'arrêt ainsi que les modifications rhéologiques du produit doivent être intégrés au dimensionnement, car ils peuvent influencer nettement la qualité de mélange à grande échelle.
Employer des définitions uniformes des termes et du procédé
Pour une transposition solide, les termes utilisés, les grandeurs cibles et les critères d'acceptation devraient être définis sans ambiguïté et employés de façon uniforme dans l'ensemble du contexte de développement et de production. Cela réduit les marges d'interprétation et facilite la libération technique de la montée en échelle.
Une montée en échelle robuste ne naît donc pas d'un nombre caractéristique isolé, mais de la combinaison accordée de la géométrie, du choix des nombres caractéristiques, de l'échelle intermédiaire, de la simulation, de la PAT et de critères d'acceptation clairs.
Ainsi amixon® sécurise la montée en échelle de la halle d'essais à la production : le principe de mélange est identique à toutes les échelles
Le cœur de l'approche amixon® est que les mélangeurs d'essai et de production travaillent avec le même système de mélange. L'outil de mélange SinConcave®/SinConvex® transporte le produit vers le haut dans la périphérie et le laisse redescendre au centre. Il en résulte un écoulement total tridimensionnel présentant la même caractéristique à toutes les tailles.
La mise à l'échelle s'effectue sur la base de la tâche de mélange et des résultats obtenus à petite échelle ou lors de l'essai en halle d'essais, la qualité de mélange idéale étant toujours visée :
- le même temps de mélange ou temps de cycle,
- la même texture,
- la même sollicitation des particules,
- la même masse volumique apparente,
- le même comportement d'écoulement,
- la même distribution granulométrique,
- le même comportement au remplissage et au conditionnement,
- et d'autres grandeurs cibles spécifiques au produit.
La mise à l'échelle ne s'effectue pas uniquement par la vitesse de rotation ou la vitesse périphérique, mais sur la base de la caractéristique de refoulement de l'outil de mélange hélicoïdal.
Toutes les tailles sont exploitées dans une fenêtre de vitesse semblable, en règle générale à faible vitesse de rotation. Ainsi, le profil d'écoulement, la sollicitation mécanique des particules et les conditions de similitude déterminantes sont préservés.
Une qualité de mélange indépendante du taux de remplissage
Les mélangeurs amixon® atteignent des qualités de mélange très élevées dès un faible taux de remplissage. C'est un avantage essentiel lors de la montée en échelle, car la qualité du procédé ne se stabilise pas seulement à une limite étroite de pleine charge. Les tailles de charge peuvent ainsi être variées dans le même mélangeur sans que l'homogénéité soit chaque fois fondamentalement remise en question.
Une trame fine de tailles au lieu de sauts d'échelle
amixon® fabrique les mélangeurs selon une trame de tailles très fine. Le passage de l'échelle d'essai validée à la taille cible se laisse ainsi planifier sans sauts de catalogue brutaux. C'est précisément cela qui réduit le risque qu'une condition de similitude soit perdue par un saut de taille trop grand.
Validation avant l'investissement
En halle d'essais amixon®, 35 installations d'essai de tailles diverses sont disponibles. Les essais se déroulent avec le produit d'origine, avec des taux de remplissage réels ainsi que dans la plage de température et de pression prévue. Ils sont réalisés, exploités et documentés conjointement avec les experts amixon®. Il existe en outre des centres techniques amixon® au Japon, en Inde, en Thaïlande, en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis.
Pour toutes les machines amixon® s'applique la même formule de base pour le calcul de la fréquence de brassage, c'est-à-dire du nombre de tours de l'outil de mélange nécessaires au brassage complet de l'ensemble de la charge dans la chambre de mélange :
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V : débit volumique de déplacement ou de refoulement
- D/d : diamètre extérieur / diamètre intérieur de l'hélice
- Φ : le taux de remplissage, rapporté au volume utile
- S : pas de l'hélice
- n : la fréquence de rotation, en tours par seconde
- ζ : le coefficient de vitesse, spécifique à l'outil
amixon® dispose aussi toujours en halle d'essais de grands appareils pour les essais, jusqu'à des charges de 3 m³ et au-delà. Cela est important lorsque des questions relatives à la pression dynamique ainsi qu'à l'arrondissement des particules et à la production de fines doivent être élucidées.
Le temps de mélange, la vitesse périphérique et d'autres paramètres de procédé peuvent ainsi être déterminés de telle sorte qu'ils entrent de façon solide dans le dimensionnement de la machine de production. Cela réduit nettement les risques techniques et économiques avant l'investissement.
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 n'emploie que des 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.
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 également avec 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 ainsi que dans les points de service au Japon et aux États-Unis.
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.