Quels outils de mélange et options d'équipement conviennent particulièrement bien lorsque les produits en vrac sont hétérogènes et présentent des masses volumiques apparentes différentes ?
Pour les solides en vrac hétérogènes présentant des masses volumiques apparentes, tailles de particules, formes et propriétés d'écoulement différentes, ce n'est pas un outil de mélange isolé qui est déterminant, mais l'interaction accordée entre le principe de mélange, la géométrie de l'outil, le dosage, le mode d'exploitation et le concept d'évacuation. Il est particulièrement important que le système de mélange intègre de façon répétée toutes les zones de produit dans une zone de mélange active et que le mélange soit ensuite évacué autant que possible sans trajets de chute, vibrations ou tamponnage défavorable. Les différences de taille, de forme et de densité des particules comptent parmi les causes les plus importantes de ségrégation ; celle-ci peut survenir pendant le mélange, mais particulièrement fréquemment lors de l'évacuation et dans les cuves en aval.
Principes de mélange adaptés
Pour de grandes différences de masse volumique apparente et de caractéristiques particulaires, les systèmes de mélange convectifs actifs conviennent dans de nombreux cas mieux que les mélangeurs à chute libre pure. En font partie les mélangeurs à palettes, à pales, à socs de charrue, hélicoïdaux et à arbres multiples, exploités à faible ou moyenne vitesse. Ils génèrent des flux de produit définis et raccourcissent le trajet que les composants individuels doivent parcourir pour une répartition spatiale complète. Le concept le mieux adapté dépend toutefois essentiellement de la cohésivité, de l'abrasivité, de la sensibilité des particules, du temps de mélange visé et de la charge.
Les mélangeurs à socs de charrue peuvent générer une fluidisation mécanique intensive et sont pertinents lorsque des poudres cohésives, des agglomérats ou des petits composants difficiles doivent être répartis rapidement. La forte intensité de mélange peut toutefois aussi favoriser la rupture des particules, l'abrasion, le dégagement de chaleur et, en cas de traitement trop long, une nouvelle ségrégation. Ils ne sont donc pertinents que si la recette tolère cette sollicitation.
Les mélangeurs à deux arbres à palettes ou à pales génèrent des flux de mélange superposés et peuvent, avec une géométrie d'outil appropriée, permettre un temps de mélange court. Ils conviennent aux mélanges hétérogènes lorsqu'une bonne répartition tridimensionnelle et une sollicitation des particules comparativement limitée sont exigées simultanément. Pour les granulés très sensibles ou les composants sujets à la rupture, la vitesse de l'outil, l'angle des pales, le taux de remplissage et l'évacuation devraient être vérifiés avec un soin particulier.
Les mélangeurs verticaux à vis conique ou hélicoïdale sont avantageux lorsqu'un brassage convectif ménageant du produit avec des taux de remplissage variables est requis. Ils peuvent bien convenir aux produits dont la structure doit être préservée autant que possible. Pour les particules fines fortement cohésives ou les agglomérats solides, le seul mouvement hélicoïdal peut toutefois ne pas suffire. Dans ce cas, une étape de mélange intensif limitée dans le temps ou un prémélange en amont peut être nécessaire.
Les mélangeurs à auge avec ruban hélicoïdal sont une solution économique pour les produits bien fluides et des différences modérées entre composants. Pour des différences extrêmes de densité ou de granulométrie, il existe toutefois un risque accru que le brassage du produit ne couvre pas suffisamment toutes les zones ou que le mélange se sépare à nouveau lors de l'évacuation. Les mélangeurs à chute libre tels que les mélangeurs bi-cônes, en V ou à mouvement oscillant sont particulièrement ménageants, mais conviennent surtout aux composants bien fluides, largement exempts d'agglomérats et suffisamment similaires quant à leurs propriétés particulaires. En cas de différences notables de taille, de forme ou de densité, ils peuvent nécessiter des temps de mélange plus longs et être sujets à la ségrégation.
Outils et options
Les palettes et pales avec inclinaison définie peuvent combiner des flux de produit axiaux, radiaux et tangentiels. Une disposition ciblée des outils aide à saisir l'ensemble du volume et à éviter des zones de bord pauvres en produit. Les outils à socs de charrue soulèvent le produit de la paroi de la cuve et génèrent un champ d'écoulement intensif. Les outils hélicoïdaux et à ruban vissé transportent le produit de façon contrôlée le long de la paroi et le conduisent dans le flux de retour central. La forme d'outil optimale ne peut pas être déduite de façon générale du seul rapport de densité ; elle doit correspondre à la structure des particules, à la cohésivité, à l'abrasivité et à la sensibilité des particules.
Des racleurs proches de la paroi peuvent être pertinents pour les produits adhérents ou humides, afin de limiter l'accumulation de produit sur la paroi de la cuve et le fond. Pour les poudres sèches abrasives, ils doivent toutefois être conçus de sorte à ne pas générer de zones de frottement et d'abrasion inutiles. Des angles d'outil réglables ou des outils interchangeables peuvent accroître la flexibilité en cas de recettes changeantes, mais doivent être exécutés de façon hygiénique, mécaniquement stable et positionnable de façon reproductible.
Les zerhacker, choppers ou têtes à couteaux sont pertinents lorsque des agglomérats cohésifs doivent être désagrégés de façon ciblée. Ils ne devraient pas être utilisés en permanence comme substitut d'une cinématique de mélange de base adaptée. Une activation limitée dans le temps, pendant une phase de procédé clairement définie, réduit la sollicitation de l'ensemble de la charge. En particulier pour les particules sensibles, enrobées ou abrasives, il convient de vérifier si l'effet de désagglomération obtenu justifie la rupture de particules ou l'abrasion éventuelles.
Un dosage de liquide précis peut, dans des recettes appropriées, aider à lier les fractions fines à des particules porteuses plus grossières et ainsi réduire la percolation. Les lances de dosage, buses de pulvérisation ou buses bifluides devraient introduire le liquide dans une zone de mélange active. La quantité, la taille des gouttelettes, la durée de dosage et le moment d'ajout doivent être contrôlés, afin qu'aucune surhumidification locale, aucune poche de collant ni aucun agglomérat indésirable n'apparaisse. Pour les produits sensibles à l'humidité ou réactifs à l'eau, cette approche n'est bien entendu pas adaptée.
La régulation variable de la vitesse de rotation via un convertisseur de fréquence permet un mode de fonctionnement adapté au procédé. Par exemple, la charge peut d'abord être homogénéisée en douceur après le chargement, puis traitée brièvement de façon plus intensive pour la désagglomération, puis à nouveau mélangée avec une sollicitation réduite. Le temps de mélange devrait être aussi court que possible et seulement aussi long que nécessaire. Un surmélange peut, pour des produits sujets à la ségrégation, à nouveau dégrader l'homogénéité.
Dosage et évacuation
En cas de fortes différences de densité ou de granulométrie, la stratégie d'ajout est souvent tout aussi importante que le mélangeur lui-même. Les petits composants et particules fines ne devraient pas tomber dans des zones de bord stagnantes, mais être dosés de façon contrôlée dans un flux de produit actif. Des prémélanges géométriques peuvent être pertinents lorsque des additifs, colorants, principes actifs ou composants très fins hautement concentrés doivent être répartis à faible dosage. Les systèmes de dosage gravimétrique soutiennent des pesées reproductibles et aident à distinguer les erreurs de dosage des problèmes de mélange réels.
L'évacuation doit être considérée comme faisant partie de la tâche de mélange. Une cuve à écoulement en masse fait en sorte que le produit se déplace sur toute la section, tandis qu'en cas d'écoulement en cheminée ou en canal, certaines zones stagnent plus longtemps et des fractions peuvent s'évacuer préférentiellement. Des angles de paroi raides, des matériaux de paroi adaptés, des sections d'évacuation suffisamment grandes et un organe d'évacuation adapté favorisent l'écoulement en masse. Cela réduit à la fois la ségrégation, la formation de voûte et les zones mortes.
Les trajets de chute libre et les forts renvois horizontaux devraient être minimisés. Ils favorisent la ségrégation par trajectoire, par roulement et par percolation. Pour le transport pneumatique, un transport en phase dense plus lent et ménageant peut être avantageux, à condition qu'il convienne techniquement au produit. Les vibrations sur les convoyeurs, cuves et stations de conditionnement devraient également être examinées de façon critique, car elles peuvent déplacer une fraction fine vers le bas et faire remonter les particules grossières.
Grandeurs caractéristiques et vérification
Le nombre de Froude Fr est une grandeur caractéristique utile, surtout pour les systèmes de mélange rotatifs. Il décrit le rapport entre les forces d'inertie et les forces de gravité. À vitesse de rotation trop faible, le brassage peut être insuffisant ; à vitesse trop élevée, les particules peuvent être plaquées contre la paroi de la cuve et centrifuger. Un principe général tel que « Fr>1 empêche la ségrégation » n'est pas exact. À Fr≈1, la centrifugation commence déjà dans de nombreux systèmes rotatifs, c'est pourquoi des nombres de Froude nettement plus bas sont le plus souvent requis pour le mélange proprement dit.
Pour les procédés continus et discontinus, d'autres grandeurs caractéristiques complètent la conception : taux de remplissage, nombre de tours de l'outil, vitesse périphérique, apport de puissance spécifique, temps de mélange, distribution des temps de séjour, précision de dosage et temps d'évacuation. Ces valeurs ne sont pas des grandeurs cibles universelles, mais doivent être déterminées par des essais produit. La qualité de mélange devrait être évaluée non seulement dans le mélangeur, mais par des échantillons échelonnés dans le temps pendant l'évacuation et, le cas échéant, après le transport en aval.
Mélangeur à deux arbres HM et KoneSlid® KS
Lorsque les solides en vrac présentent des masses volumiques apparentes, tailles de particules, formes ou propriétés d'écoulement fortement différentes, amixon® recommande en particulier le mélangeur vertical à deux arbres HM et — pour les produits particulièrement sensibles ou de structure grossière — le mélangeur KoneSlid® KS. Les deux systèmes travaillent avec un retournement de produit tridimensionnel activement généré et sont ainsi particulièrement adaptés, par rapport aux mélangeurs à chute libre pure, lorsque le mélange doit être obtenu rapidement, de façon reproductible et aussi stable que possible contre une ségrégation ultérieure. La forme d'appareil la mieux adaptée dépend de la cohésivité, de la proportion d'agglomérats, de la sensibilité des particules, de la taille de charge, de la plage de taux de remplissage, du temps de mélange souhaité et des exigences relatives à l'évacuation.
Le mélangeur à deux arbres amixon® HM utilise deux outils de mélange hélicoïdaux SinConvex® tournant dans le même sens. Ceux-ci génèrent deux flux de produit superposés : le produit à mélanger est convoyé vers le haut dans la zone extérieure et s'écoule vers le bas dans la zone centrale sous l'effet de la gravité. Dans la zone de chevauchement des deux flux se produit un échange intensif entre les composants. Cela favorise une homogénéisation très rapide et uniforme, même lorsque les solides en vrac utilisés diffèrent nettement en masse volumique apparente, taille de particules ou comportement d'écoulement. Pour les poudres cohésives, les fractions différentes et les mélanges comportant de petites quantités additionnelles, le HM peut en outre être équipé de rotors de coupe ou de HighShearBlades. Ceux-ci ne sont activés que pendant la phase de procédé nécessaire, afin de dissoudre les agglomérats de façon ciblée ou de répartir finement un ajout de liquide.
Le mélangeur KoneSlid® KS convient particulièrement aux produits sensibles, séchés par atomisation, granulés en lit fluidisé, séchés sur bande ou de structure grossière, pour lesquels la forme des particules, la bande granulométrique, l'enrobage ou la qualité optique du produit doivent être autant que possible préservés. L'outil de mélange central SinConvex® fait remonter le produit dans la zone périphérique. Au centre, il s'écoule vers le bas et est reconduit dans la zone de mélange extérieure par un corps de déplacement conique. Il en résulte un retournement forcé tridimensionnel ciblé, avec un apport d'énergie mécanique comparativement faible. L'ensemble du volume de la charge peut avoir été retourné une fois après environ quatre tours d'outil. La qualité de mélange souhaitée peut être atteinte, selon le produit, la recette, le taux de remplissage et l'homogénéité visée, après environ 20 à 40 tours. Ces valeurs doivent toutefois être confirmées par essai pour le produit concret.
Un avantage essentiel des deux systèmes réside dans le fait que l'intensité de mélange n'est pas déterminée uniquement par un changement d'outil. Les outils de mélange SinConvex® travaillent avec un écoulement de base convectif tridimensionnel. L'état de fonctionnement peut être adapté via la vitesse de rotation et la vitesse périphérique. Selon la forme d'appareil et la tâche de mélange, des vitesses périphériques d'outil d'environ 0,8 à 3,5 m/s peuvent être réglées. Pour une homogénéisation ménageante, on travaille avec une faible sollicitation. Si nécessaire, des rotors de coupe ou HighShearBlades peuvent être activés pendant une durée limitée pour une désagglomération ciblée. L'écoulement de base reste alors conçu pour une saisie complète et uniforme du volume de produit.
L'ajout contrôlé de liquide peut également être déterminant pour les solides en vrac hétérogènes. Les liquides, liants, huiles ou additifs fonctionnels peuvent être introduits via des lances ou des buses bifluides dans une zone de mélange active. Dans des recettes appropriées, les fractions fines peuvent ainsi être liées à des particules porteuses plus grossières et la percolation ultérieure réduite. La quantité, la taille des gouttelettes, le lieu de dosage, le moment d'ajout et le temps de post-mélange doivent être définis de façon spécifique au produit. Un dosage inadapté peut provoquer une surhumidification locale, des agglomérats ou une dégradation du comportement d'écoulement.
Des enveloppes de thermorégulation permettent de chauffer ou de refroidir la chambre de mélange et, le cas échéant, d'autres zones en contact avec le produit. Cela peut être pertinent lorsque la viscosité d'un ajout de liquide doit être influencée, un liant fondu, l'humidité conditionnée ou la chaleur de réaction évacuée. Pour les solides en vrac secs et peu sensibles à la température, une thermorégulation n'est pas impérativement nécessaire, mais peut contribuer à une meilleure stabilité de procédé en cas de fluctuations saisonnières de la température des matières premières ou de recettes sensibles.
La plage de taux de remplissage peut être large selon la forme du mélangeur et le produit. amixon® indique, pour différentes formes d'appareil, une plage d'environ 10 à 100 % du volume utile. Que le mélange aléatoire idéal soit effectivement atteignable sur l'ensemble de la plage de taux de remplissage et pour chaque recette doit toutefois être vérifié en fonction du produit. Pour des taux de remplissage très faibles, des composants fortement différents, de faibles proportions de dosage ou des fractions fines cohésives, le temps de mélange, le mélange intensif requis et l'homogénéité peuvent varier. Une nouvelle évaluation est en particulier nécessaire lorsque la recette, la qualité des matières premières, la masse de charge, la fenêtre de taux de remplissage ou les paramètres de procédé sont modifiés de façon significative.
Les appareils amixon® sont conçus sur la base d'une spécification des exigences utilisateur. L'équipement en outils, le nombre de rotors, la position des buses de liquide, les matériaux, les surfaces, les joints, la sensorique, la thermorégulation et le concept d'évacuation peuvent être adaptés au spectre de produits. Pour les produits abrasifs par exemple, des outils de mélange trempés, des garnitures en carbure de tungstène ou des revêtements de protection céramiques sont possibles. Une extension ultérieure peut, selon la construction existante et l'interface disponible, comprendre des points de dosage supplémentaires, de la sensorique, des dispositifs de thermorégulation ou des agrégats de mélange intensif. Qu'une modernisation soit techniquement et économiquement pertinente dépend de l'appareil existant concret et des nouvelles exigences produit.
L'aptitude pour un spectre de produits complet devrait être vérifiée à partir des matériaux respectivement les plus critiques. En font partie par exemple le produit le plus sensible à la rupture des particules, la poudre la plus cohésive, le mélange le plus abrasif, la recette avec la plus faible proportion de dosage ou le mélange avec les plus grandes différences de masse volumique apparente. En halle d'essais amixon®, ces produits peuvent être examinés avec des taux de remplissage, temps de mélange, vitesses de rotation et concepts d'ajout réalistes. Sont évalués l'homogénéité, la désagglomération, le ménagement des particules, la répartition du liquide, l'apport d'énergie, la vidange résiduelle, le risque de ségrégation à l'évacuation, la nettoyabilité et la reproductibilité. Les résultats servent de base documentée pour la conception de l'installation de production.
Différentes formes d'appareil sont disponibles pour différentes tailles de charge. Les mélangeurs verticaux et coniques comme le VM, le HM et l'AM ainsi que les réacteurs sécheurs-mélangeurs VMT et AMT peuvent être exécutés, selon le projet, d'environ 100 à 50 000 litres. Le Gyraton® GM couvre les grandes charges dans la plage d'environ 10 à 100 m³. Pour les petites charges, l'EM dans la plage d'environ 5 à 200 litres et le mélangeur conteneur COM dans la plage d'environ 100 à 4 000 litres sont disponibles. Le choix de la taille dépend de la masse de charge, de la masse volumique apparente, de la logistique, de l'espace disponible, de la stratégie de nettoyage et de la capacité de production requise.
La conception hygiénique complète la technique de mélange. Des chambres de mélange et outils de mélange soudés et polis sans joint apparent, des arbres montés uniquement en partie haute sans passage d'arbre inférieur dans la zone produit, de grandes portes d'inspection CleverCut® avec joints OmgaSeal® ainsi que des organes d'évacuation à faible espace mort améliorent l'accessibilité, le nettoyage et le changement de produit. Des lances de lavage intégrées ou un nettoyage humide entièrement automatique peuvent soutenir les procédés de nettoyage à sec et humide. Selon le projet, l'exécution peut être alignée sur les directives EHEDG ainsi que sur les directives d'hygiène de la FDA et les 3-A Sanitary Standards.