Le réglage fiable de la taille et de la structure des granulés dans un granulateur à couche annulaire repose sur l'interaction ajustée de la sollicitation mécanique, de l'apport de liquide et de la capacité de séchage, des propriétés du liant, du temps de séjour et du taux de remplissage, complétée par une surveillance de procédé en ligne robuste.

Le principe de fonctionnement du granulateur à couche annulaire

Dans le granulateur à couche annulaire, le produit est pressé contre la paroi de la cuve par la force centrifuge, en une couche annulaire concentrique. Dans cette couche, le mouillage, l'agglomération, l'enrobage et le dépôt de couches, le compactage et le séchage se déroulent simultanément ou par zones. Les propriétés de granulé qui en résultent sont réglées de façon reproductible par des grandeurs de commande définies.

Les grandeurs de commande essentielles pour piloter la taille et la structure des granulés

Vitesse périphérique / vitesse de rotation du rotor

La vitesse de rotation du rotor détermine les forces centrifuges et de cisaillement en action, et donc l'introduction d'énergie mécanique dans la couche annulaire.

Mode d'action :

• Des vitesses périphériques plus élevées (typiquement environ 15 à 35 m/s) engendrent de fortes forces de cisaillement et de choc.
• Conséquence : des granulés plus compacts, plus denses et plus sphériques, avec une résistance à la rupture plus élevée et une porosité plus faible.
• Des vitesses de rotation plus basses conduisent à un compactage moindre.
• Conséquence : des structures plus lâches, plus poreuses, à surface plus rugueuse et avec une tendance à la formation de poussière plutôt plus marquée.

Apport de liquide et paramètres de pulvérisation

La croissance des granulés est pilotée pour l'essentiel par le rapport entre l'apport de liquide et le solide (rapport L/S) et par la caractéristique de pulvérisation.

Rapport liquide-solide (rapport L/S) :

• L'augmentation de la quantité de liquide renforce les forces capillaires et d'adhérence entre les particules primaires.
• Conséquence : une croissance particulaire plus rapide et des granulés finaux plus gros.
• Un apport de liquide trop élevé peut conduire à un surmouillage, à du collage et à un spectre granulométrique large ; un apport trop faible limite la croissance et augmente la proportion de fines.

Taux de pulvérisation :

• Il détermine la vitesse de croissance et donc le déplacement de la distribution granulométrique.
• Un taux de pulvérisation constant et réglable favorise une distribution granulométrique étroitement conduite.

Taille des gouttes :

• Une pulvérisation fine favorise les processus d'enrobage et de dépôt de couches (formation de couches minces).
• Des gouttes plus grossières favorisent l'agglomération par la formation de ponts liquides stables.

Position de la buse et angle de pulvérisation :

• Ils définissent la zone de mouillage dans la couche annulaire.
• Une séparation ciblée entre le mouillage intensif et la granulation par croissance et le séchage qui suivent augmente la stabilité du procédé, car les surmouillages locaux sont évités.

Sécurité de procédé :

• Emploi de pompes doseuses précises et de vannes de pulvérisation régulées.
• Surveillance continue du débit massique et de la température du gaz de procédé, afin d'assurer un rapport L/S stable.

Température du gaz de procédé et capacité de séchage

Le bilan entre le liant liquide introduit et la capacité de séchage influence aussi bien la taille que la structure des granulés.

Mode d'action :

• Une capacité de séchage élevée soustrait l'humidité à la couche annulaire avant que de gros agglomérats ne puissent se former.
• Conséquence : des grains plus petits et plus solides, avec une distribution granulométrique plus étroite et une proportion de fines plus élevée.
• Une faible capacité de séchage maintient les ponts liquides efficaces plus longtemps.
• Conséquence : une croissance des grains plus marquée, des granulés plus gros et plus poreux, mais, en cas de dépassement, une tendance au collage et des incrustations sur la paroi.

Sécurité de procédé :

• Régulation de la température du gaz de procédé et du débit volumique de gaz, couplée au taux de pulvérisation.
• Surveillance de l'humidité de l'air extrait et de la température du produit comme indicateur du bilan d'humidité réel.

Propriétés et quantité du liant

La nature, la concentration et la viscosité du liant déterminent la solidité des ponts liquides et donc la stabilité des agglomérats formés.

Mode d'action :

• Des systèmes plus concentrés ou plus fortement liants engendrent des granulés plus solides et plus résistants à la rupture.
• Les liants de faible viscosité se répartissent plus vite et plus uniformément, mais contribuent moins à la résistance des grains.
• Les liants de haute viscosité ont un effet collant plus marqué, mais exigent une pulvérisation plus fine et une énergie mécanique plus élevée pour la répartition.
• Conséquence : la quantité de liant déplace l'ensemble de la distribution granulométrique ; la nature du liant détermine avant tout la résistance, la porosité et le comportement à la dissolution.

Sécurité de procédé :

• Température du liant constante, car la viscosité dépend de la température.
• Vérifier la constance des charges de liant, parce que les variations se répercutent immédiatement sur la résistance des grains.

Temps de séjour et taux de remplissage

Le temps de séjour et le taux de remplissage déterminent combien de temps et combien de fois une particule traverse les zones de mouillage, de compactage et de séchage.

Mode d'action :

• Des temps de séjour plus longs augmentent le nombre de contacts et favorisent la croissance des grains ainsi que leur arrondissement.
• Des temps de séjour plus courts limitent la croissance et conservent une distribution granulométrique plus étroite.
• Le taux de remplissage influence l'épaisseur de la couche annulaire : une couche trop mince conduit à un mouillage irrégulier, une couche trop épaisse amortit l'effet de cisaillement et engendre des gradients.
• Conséquence : le temps de séjour et le taux de remplissage agissent ensemble ; ils ne sont pas réglables indépendamment l'un de l'autre.

Sécurité de procédé :

• Débit massique constant par un dosage gravimétrique, puisque le débit et le temps de séjour sont directement couplés.
• Trop-plein défini ou organes de décharge régulés pour stabiliser le taux de remplissage.

La surveillance de procédé en ligne

Comme le mouillage, l'agglomération et le séchage se déroulent simultanément dans le granulateur à couche annulaire, l'état du procédé ne peut pas être déduit d'une seule grandeur. Une conduite solide s'appuie sur plusieurs signaux relevés en parallèle.

• La puissance d'entraînement et le couple comme mesure de l'humidité et de la cohésion de la couche annulaire ; une augmentation indique un début de surmouillage.
• La température du produit et de l'air extrait ainsi que l'humidité de l'air extrait pour l'évaluation continue du bilan d'humidité.
• Les débits massiques de solide et de liant pour sécuriser un rapport L/S constant.
• Des procédés optiques ou acoustiques pour la détermination en ligne de la distribution granulométrique, complétés par des analyses granulométriques par tamisage régulières comme référence.
• Des limites d'intervention définies et une procédure documentée en cas de dépassement des valeurs limites, afin que les corrections s'effectuent de façon reproductible.

C'est seulement l'interaction de ces grandeurs de commande qui rend la taille et la structure des granulés reproductibles. Leurs valeurs cibles concrètes ne peuvent pas être fixées de façon générale : elles sont déterminées par des essais pour chaque système de matières, puis consignées comme fenêtre de procédé avec des tolérances définies.