Pour de grandes charges, des temps de mélange courts et une qualité de mélange élevée ne résultent pas de la seule vitesse de rotation maximale ou d'une puissance spécifique élevée. Ce qui est déterminant, c'est que la géométrie de la cuve, l'outil de mélange, le taux de remplissage, les propriétés du produit, la stratégie d'ajout et l'évacuation soient accordés entre eux de sorte que l'ensemble du volume de mélange soit brassé de façon répétée, contrôlée et si possible ménageante. La conception définitive doit être sécurisée avec le produit d'origine et dans des conditions de charge réalistes, car précisément entre 10 et 100 m³, de faibles écarts dans l'écoulement du produit, le dosage ou la vidange peuvent avoir des répercussions considérables sur l'homogénéité et le débit.

Cuve et taux de remplissage

La géométrie de la cuve doit permettre un mouvement tridimensionnel du produit et minimiser les zones mortes. Le rapport entre la hauteur et le diamètre, la forme du fond, les rayons de transition, les éléments internes, les distances à la paroi et la position de l'évacuation influencent la rapidité avec laquelle le produit provenant de toutes les zones atteint la zone de mélange active. Il n'existe pas de valeur cible universelle pour le rapport d'aspect dans les mélangeurs de solides ; elle dépend du principe de mélange. Un mélangeur vertical cylindrique, un mélangeur conique, un mélangeur à deux arbres et un mélangeur horizontal à socs de charrue nécessitent chacun des géométries différentes pour établir l'écoulement de produit souhaité.

Le taux de remplissage n'est pas non plus une valeur universelle. De nombreux mélangeurs à chute libre et horizontaux pour solides travaillent avec une cuve partiellement remplie, car un espace libre est nécessaire au retournement du produit. Comme repère approximatif, on utilise fréquemment une plage d'environ 40 à 70 % du volume de la cuve ; en cas de surremplissage, le retournement libre diminue et le temps de mélange augmente. D'autres formes de mélangeurs peuvent, selon la géométrie de l'outil et le produit, fonctionner de façon judicieuse même avec des taux de remplissage nettement plus faibles ou plus élevés. Ce qui est déterminant, c'est que la plage admissible soit démontrée par des essais de mélange pour la recette concrète.

Pour de grandes charges, la masse de charge est tout aussi importante que le volume. Un mélangeur de 50 m³ peut nécessiter une conception d'entraînement et d'évacuation complètement différente à 0,2 t/m³ de masse volumique apparente qu'à 1,2 t/m³. La conception doit donc tenir compte du volume utile, de la masse maximale, de la plage de masse volumique apparente, des charges de paroi, du couple de démarrage, de la compression du produit et des fluctuations de charge effectivement prévues.

Outil et cinématique

Pour des temps de mélange courts avec de grandes charges, le brassage convectif est le plus souvent le mécanisme le plus important. L'outil de mélange ne doit pas seulement déplacer le produit localement, mais l'intégrer dans un échange tridimensionnel récurrent depuis les zones de bord, de fond, de couvercle et de cœur. Selon la tâche, des outils hélicoïdaux, à ruban vissé, à palettes, à socs de charrue, à bande ou à arbres multiples entrent en ligne de compte. Le choix dépend de la cohésivité, de la distribution granulométrique, de la masse volumique apparente, de l'humidité, de l'abrasivité, de la sensibilité et de la désagglomération requise.

La forme de l'outil, le nombre, le recouvrement des zones de mélange et les distances à la paroi de la cuve déterminent le temps de brassage de l'ensemble du volume. Des jeux de paroi trop grands peuvent provoquer des zones de bord mal mélangées et une accumulation de produit. Des jeux trop petits augmentent en revanche le risque d'abrasion, de rupture de particules, de dégagement de chaleur et de couples de démarrage inadmissiblement élevés. Pour les produits abrasifs ou sensibles, la distance techniquement correcte est donc toujours un compromis entre effet de mélange, usure et ménagement du produit.

La vitesse de rotation et la vitesse périphérique doivent être choisies de sorte à générer le mouvement de produit souhaité, sans favoriser la ségrégation, la centrifugation ou un cisaillement excessif. Pour les systèmes rotatifs à chute libre, le nombre de Froude est une grandeur caractéristique utile. Il décrit le rapport entre les forces d'inertie et les forces de gravité : Fr=ω²R/g. À mesure que le nombre de Froude augmente, les régimes de mouvement passent du roulement et du cascading au cataracting, voire à la centrifugation. Une simple valeur cible comme Fr≈1 n'est toutefois pas recommandable de façon générale pour les mélangeurs de solides de grand volume. À Fr=1, la centrifugation commence déjà dans de nombreux systèmes rotatifs ; pour un mélange ménageant à chute libre, des valeurs nettement plus basses sont le plus souvent utilisées.

L'apport de puissance spécifique P/V est une valeur de comparaison utile, mais ce n'est pas à elle seule un critère de montée en échelle suffisant. Une même densité de puissance ne garantit pas automatiquement des trajets de produit, des temps de séjour ou des qualités de mélange identiques. Pour les systèmes liquides et pâteux, les nombres de Reynolds et de Newton complètent la conception. Le nombre de Reynolds caractérise le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses, tandis que le nombre de Newton décrit la puissance absorbée en fonction de l'outil, de la vitesse de rotation, de la densité et du régime d'écoulement. Pour les poudres sèches, en revanche, la cohésivité, le frottement pariétal, la fonction d'écoulement, le mouvement des particules, la teneur en air et la tendance à la ségrégation sont souvent plus déterminants que les grandeurs caractéristiques hydrodynamiques classiques.

Recette et dosage

Les propriétés des composants déterminent le degré d'exigence de la tâche de mélange. De grandes différences de taille, de forme ou de masse volumique apparente des particules augmentent le risque de ségrégation. Les particules fines peuvent percoler entre des particules plus grossières ; les particules plus denses ont tendance, dans certaines conditions, à migrer vers le bas dans les tas. Une distribution granulométrique large ainsi que des différences de densité et de hauteur de chute par rapport au diamètre de la cuve peuvent renforcer la ségrégation lors du remplissage et de l'évacuation.

Pour les poudres cohésives, la tendance à la ségrégation est souvent plus faible, mais en même temps des agglomérats, des voûtes et un mouillage inégal peuvent apparaître. Un échange convectif plus intensif ou une désagglomération localisée peuvent alors être nécessaires. Pour les poudres très fluides, en revanche, c'est souvent l'évitement de la ségrégation qui prime. Dans des recettes appropriées, un ajout ciblé de liquide peut lier les particules fines à des particules porteuses plus grossières. Cela doit être dosé avec soin pour éviter une surhumidification locale, des agglomérats indésirables ou une dégradation de l'aptitude à l'écoulement.

Le point et l'ordre d'ajout sont particulièrement importants pour les grandes charges. Les petits composants, principes actifs, pigments ou additifs ne devraient pas tomber dans des zones de bord à faible écoulement, mais être dosés dans une zone de mélange active. Des prémélanges géométriques peuvent être nécessaires pour des proportions de dosage très faibles. La durée de dosage et le moment de départ doivent être adaptés au temps de brassage du mélangeur. Un ajout trop rapide dans une zone localement restreinte peut créer un pic de concentration qui n'est pas toujours résolu de façon fiable, même par un mélange prolongé.

Évacuation et montée en échelle

Une qualité de mélange élevée n'est pertinente pour le procédé que si elle est conservée lors de l'évacuation et du transport ultérieur. L'évacuation devrait être conçue de sorte à favoriser l'écoulement en masse. Lors de l'écoulement en masse, la matière se déplace sur toute la section de la cuve en direction de la sortie ; cela peut réduire la ségrégation par rapport à l'écoulement en cheminée ou en canal. Une géométrie de trémie conçue pour l'écoulement en masse, des sections de sortie suffisamment grandes, des inclinaisons de paroi adaptées et un organe d'évacuation accordé sont donc des grandeurs de conception centrales.

Les hauteurs de chute, les points de transfert, les convoyeurs à bande, les conduites de transport pneumatique et les trémies tampons doivent également être pris en compte. De grandes trajectoires de chute libre peuvent provoquer une classification par trajectoire et par taille. Les vibrations, les courants d'air et le transvasement répété peuvent à nouveau dégrader l'homogénéité obtenue dans le mélangeur. Pour les recettes critiques, des échantillons échelonnés dans le temps pendant l'évacuation et au dernier point de procédé pertinent sont donc nécessaires.

La montée en échelle ne doit pas s'appuyer sur une seule grandeur caractéristique. La similitude géométrique, le nombre de Froude, la vitesse périphérique, l'apport de puissance spécifique, le nombre de tours de l'outil et le temps de brassage peuvent constituer, selon le principe de mélange, des grandeurs de comparaison pertinentes. Elles peuvent toutefois poursuivre des objectifs différents et ne peuvent pas toujours être maintenues constantes simultanément. Pour les solides en particulier, une combinaison de modélisation, par exemple CFD ou DEM, et d'essais de mélange représentatifs est donc judicieuse. La simulation peut rendre visibles les zones critiques, les trajets de produit et les mécanismes de ségrégation potentiels ; elle doit toutefois être validée avec des données de mesure du produit réel.