Quelles options de thermorégulation (chauffage/refroidissement) sont disponibles dans les mélangeurs verticaux à un arbre ?
Les mélangeurs verticaux à un arbre peuvent être équipés pour des tâches de chauffage et de refroidissement avec thermorégulation indirecte. Les options vont de la simple double enveloppe de cuve jusqu'à la thermorégulation complète de l'arbre et des outils de mélange. La solution appropriée ne dépend pas uniquement de la température de produit souhaitée ou de la puissance de chauffage ou de refroidissement nécessaire. Sont tout aussi déterminants l'état du produit, la conductivité thermique, le taux de remplissage, la viscosité, d'éventuels changements de phase, la durée de mélange, les exigences hygiéniques ainsi qu'un fonctionnement possible sous vide ou pression.
Pour les mélangeurs fermés, le transfert de chaleur s'effectue en règle générale de façon indirecte. Le fluide caloporteur reste séparé du produit et cède de la chaleur au mélange via la paroi de la cuve ou des éléments internes thermorégulés, ou en absorbe. Le mouvement de mélange renouvelle continuellement la couche de produit sur les surfaces de transfert thermique et améliore ainsi le transfert de chaleur. Ce principe convient particulièrement aux produits sensibles, toxiques, contenant des solvants, poussiéreux ou exigeants sur le plan hygiénique.
L'exécution standard est une double enveloppe sur la chambre de mélange cylindrique et, le cas échéant, sur le fond conique ou bombé. Un fluide de chauffage ou de refroidissement circule dans l'enveloppe. Pour les tâches de chauffage, on utilise l'eau chaude, l'eau surchauffée, la vapeur ou l'huile thermique. L'eau chaude et l'eau surchauffée conviennent aux plages de température modérées et aux procédés bien régulables. La vapeur permet des flux thermiques élevés et des temps de montée en température courts, mais nécessite une conception de pression, un guidage des condensats et une analyse de sécurité appropriés. L'huile thermique est privilégiée lorsque des températures plus élevées ou une large plage de température sont nécessaires. Pour les tâches de refroidissement, on utilise le plus souvent de l'eau de refroidissement, des mélanges eau-glycol ou de la saumure. Pour des températures inférieures au point de congélation de l'eau, une installation frigorifique spécialement conçue peut être nécessaire.
L'enveloppe de la cuve peut être réalisée sous forme de double enveloppe conventionnelle, d'enveloppe à canaux, de demi-serpentin ou d'enveloppe à plaques bombées. La forme de construction appropriée dépend de la pression admissible du fluide caloporteur, de la puissance thermique requise, de la plage de température, de la géométrie de la cuve et de la conception mécanique. Les demi-serpentins conviennent par exemple aux pressions élevées côté fluide. Les enveloppes à canaux ou à plaques bombées peuvent permettre un guidage ciblé de l'écoulement. La puissance de transfert thermique n'est toutefois pas déterminée par la seule forme de l'enveloppe. Le fluide, la vitesse d'écoulement, l'écart de température, la propension à l'encrassement, le mouvement du produit et le temps de contact du mélange avec la paroi de la cuve sont également essentiels.
Une double enveloppe de cuve est souvent suffisante lorsque le produit est bien recirculé, qu'un taux de chauffage ou de refroidissement modéré suffit et qu'aucune tolérance de température très étroite ne doit être respectée. Pour les produits peu conducteurs de la chaleur, très visqueux, pâteux ou fortement isolants, la seule surface d'enveloppe peut toutefois être trop petite. Dans ces cas, il peut être judicieux de thermoréguler en plus l'arbre et les outils de mélange.
Un arbre de mélange thermorégulé est réalisé sous forme d'arbre creux et traversé par un fluide de chauffage ou de refroidissement. Les bras de mélange, les outils hélicoïdaux ou les rubans à vis peuvent également être réalisés creux et thermorégulables. L'apport ou l'extraction de chaleur s'effectue ainsi non seulement via la paroi de la cuve, mais aussi directement à l'intérieur du produit. La surface active de transfert thermique augmente et les longs chemins thermiques à travers le produit en vrac sont raccourcis. Cela peut être avantageux en particulier pour le séchage par contact sous vide, pour les produits pâteux ou cristallisants, pour les phases intermédiaires visqueuses-plastiques ainsi que pour les réactions à forte libération de chaleur ou aux exigences de température strictes.
L'alimentation des arbres et outils de mélange thermorégulés s'effectue via des passages tournants appropriés. Ceux-ci doivent être conçus pour le fluide caloporteur, la pression, la température, la vitesse de rotation, les exigences d'étanchéité et le besoin de maintenance. Pour la vapeur, l'huile thermique ou les fluides cryogéniques, le choix des matériaux, la dilatation thermique, la sollicitation des joints et les aspects de sécurité sont particulièrement importants. Les outils internes thermorégulés améliorent certes le transfert de chaleur, mais augmentent aussi la complexité technique, l'effort de nettoyage et les coûts d'investissement. Leur utilisation devrait donc être décidée en fonction du besoin réel en puissance de transfert thermique et sur la base d'essais produit.
Des surfaces de thermorégulation supplémentaires peuvent être judicieuses pour des exigences de procédé particulières. Un couvercle thermorégulé peut par exemple empêcher que des vapeurs ne se condensent sur une surface de couvercle froide, que des gouttes ne retombent dans le produit ou que des collages locaux ne se forment. La question de savoir si un couvercle chauffé est nécessaire dépend surtout de la température du produit, de la pression de vapeur, du niveau de vide, de la géométrie du couvercle et du guidage des vapeurs. Les organes d'évacuation, tubulures de produit, filtres, lances de dosage ou autres éléments internes peuvent également être thermorégulés. Cela est particulièrement pertinent pour les liants qui fondent ou se solidifient, les recettes riches en matières grasses, les milieux cristallisants et les ajouts de liquides visqueux. L'objectif est d'éviter les points froids critiques et de maintenir la viscosité ou la fluidité dans la plage souhaitée.
Les chauffages électriques d'enveloppe, rubans chauffants ou tapis chauffants constituent une alternative lorsque seule une puissance de chauffage modérée est nécessaire ou que l'installation doit fonctionner indépendamment d'un circuit central de fluide caloporteur. Ils conviennent aux seules tâches de chauffage, mais n'offrent pas de fonction de refroidissement directe. Pour des puissances élevées, des températures élevées ou des changements de température rapides, les circuits de thermorégulation à eau, vapeur ou huile thermique sont souvent mieux régulables et plus économiques.
Le vide peut compléter utilement la conduite de température. Sous pression réduite, la température d'évaporation de l'eau ou des solvants diminue. En combinaison avec une enveloppe de cuve chauffée et, le cas échéant, des outils de mélange thermorégulés, cela permet un séchage par contact et sous vide à une température de produit comparativement basse. Les conditions préalables sont un mélangeur résistant au vide et suffisamment étanche, des joints d'arbre et de couvercle appropriés, un filtre de vapeurs, un système de vide ainsi que, pour les produits contenant des solvants, une unité de condensation et de récupération appropriée.
Le vide abaisse certes la température d'ébullition, mais ne fournit pas lui-même d'énergie d'évaporation. Celle-ci doit être apportée au produit via l'enveloppe de la cuve, l'arbre de mélange, les outils de mélange ou d'autres surfaces de transfert thermique. En particulier pour les poudres, qui conduisent mal la chaleur et contiennent beaucoup d'air enfermé, la combinaison d'une bonne recirculation du produit et de surfaces thermorégulées suffisamment grandes est déterminante pour un séchage efficace.
Pour une régulation précise de la température, des points de mesure de température sont utilisés dans le produit ainsi que dans les circuits aller et retour du fluide caloporteur. Pour les procédés critiques, des capteurs supplémentaires sur l'arbre, le couvercle, le filtre ou l'organe d'évacuation peuvent être judicieux. Une régulation en cascade peut piloter la température du produit via la température ou le flux massique du fluide de chauffage ou de refroidissement. Pour les réactions exothermiques ou les produits thermiquement sensibles, des limites de température, des fonctions d'alarme et une réaction de sécurité définie en cas de défaillance du refroidissement, de l'outil de mélange ou de l'alimentation en énergie font partie du concept de procédé.
Ainsi amixon® résout cette tâche
Les options de thermorégulation, c'est-à-dire de chauffage et de refroidissement, disponibles dans les mélangeurs verticaux à un arbre dépendent, chez amixon®, du concept d'appareil et de procédé. Les possibilités vont de la double enveloppe thermorégulable jusqu'à la thermorégulation complète de tous les éléments de mélange et fonctionnels en contact avec le produit. La conduite de température peut ainsi s'effectuer non pas comme une étape en aval, mais comme une fonction de procédé intégrée, directement pendant le mélange, la réaction, le conditionnement ou le séchage.
Les mélangeurs amixon® peuvent, sur demande, être équipés d'une double enveloppe pour le chauffage, le refroidissement et, le cas échéant, le séchage sous vide. Cela vaut par exemple pour le mélangeur à un arbre EM, dont la double enveloppe peut être utilisée pour des tâches de thermorégulation et de séchage sous vide, ainsi que pour les mélangeurs verticaux à un arbre de la gamme VM à surfaces d'enveloppe chauffables et refroidissables. Pour les réacteurs mélangeurs-sécheurs VMT et AMT, l'étendue de la thermorégulation peut être nettement élargie : outre l'enveloppe de la cuve, l'arbre de mélange, les outils de mélange à bras et hélice, les trous d'homme, les organes d'évacuation et le filtre de vapeurs peuvent également être thermorégulés. Une grande surface d'échange thermique est ainsi disponible non seulement sur la paroi de la cuve, mais aussi directement dans le volume de produit en mouvement.
L'eau, la vapeur ou l'huile thermique peuvent être utilisées comme fluides caloporteurs. Avec le même système de thermorégulation, des tâches de chauffage et de refroidissement peuvent être réalisées, à condition que l'alimentation en fluide correspondante soit conçue en conséquence. Le fluide utilisé dépend de la plage de température requise, de la vitesse de chauffage ou de refroidissement souhaitée, de l'infrastructure disponible ainsi que des exigences du produit et du procédé concernés. Tandis que l'eau constitue une solution bien régulable pour de nombreuses tâches de thermorégulation modérées, la vapeur convient aux flux thermiques élevés et aux montées en température rapides. L'huile thermique peut être avantageuse lorsque des températures élevées ou de larges plages de température sont nécessaires.
Précisément pour les lits de poudre, le transport thermique est souvent le facteur limitant. Les poudres conduisent la chaleur relativement mal, contiennent souvent de l'air et forment, sans mélange suffisant, des couches de produit isolantes sur les surfaces de transfert thermique. amixon® répond à ce défi par la combinaison de grandes surfaces d'échange thermique spécifiques et d'une recirculation intensive du produit. La recirculation totale SinConvex® amène en continu du produit frais vers l'enveloppe, l'arbre et les outils de mélange. Le transfert de chaleur et l'échange de matière peuvent ainsi s'effectuer rapidement, même dans de grands appareils. Ce principe est par exemple utilisé dans des réacteurs coniques de 30 m³ pour le traitement de l'amidon, dont les surfaces sont entièrement thermorégulables.
Les cas d'application typiques sont le maintien de matières grasses au-dessus de leur point de fusion afin de permettre une incorporation sans grumeaux et de traiter des fusions de matières grasses de façon contrôlée. D'autres applications sont le refroidissement de systèmes réactifs, la conduite de profils de température définis pour la cristallisation ou le conditionnement, ainsi que l'accélération du séchage sous vide à basse température de produit. Lors du séchage sous vide, la pression réduite abaisse la température d'évaporation ; l'énergie d'évaporation nécessaire est apportée au produit via les surfaces thermorégulées. Une thermorégulation étendue de l'enveloppe et de l'outil de mélange soutient ainsi des temps de séchage courts et reproductibles.
Les profils de température et de temps peuvent être enregistrés en tant que programme de mélange dans l'automate programmable. Cela permet de conduire les procédés de façon reproductible charge après charge et de les adapter à différentes recettes. L'évolution de la température du produit et du couple peut en outre être utilisée pour détecter les changements d'état dans le produit et déterminer plus sûrement les points finaux de procédé, par exemple lors du séchage, du conditionnement, de l'agglomération ou de l'incorporation de fusions.
Comme chaque appareil amixon® est réalisé en exemplaire unique spécifique au client sur la base d'une User Requirement Specification, dite URS, l'étendue de la thermorégulation, les surfaces d'échange thermique, la puissance de raccordement, le guidage des fluides et la régulation sont définis de façon spécifique au projet. Les installations existantes peuvent être techniquement modernisées dans le cadre de modernisations et de rétrofits, pour autant que la construction, la conception en pression, les espaces d'implantation disponibles et l'alimentation en fluides le permettent. Le comportement thermique du produit concret peut être vérifié au préalable au centre technique amixon®, dans la plage de température et de pression prévue, de sorte que le transfert thermique, le comportement au mélange, la durée de séchage et d'éventuels états de produit critiques puissent être évalués de façon réaliste.
Pour les environnements de production réglementés, les installations amixon® peuvent être réalisées de façon qualifiable et documentée. L'entreprise soutient les phases de qualification DQ, IQ et OQ ; l'exécution et la documentation peuvent s'orienter sur des exigences telles que EU-GMP et FDA 21 CFR Part 11. Selon le projet, des exigences et normes pertinentes telles qu'EHEDG, les directives d'hygiène de la FDA, les 3-A Sanitary Standards, l'USDA, les GMP, ATEX et ASME peuvent en outre être prises en compte. La fonction de thermorégulation n'est ainsi pas considérée isolément, mais intégrée dans l'ensemble du concept de validation, de sécurité et de procédé de l'installation.
amixon® développe et fabrique ses appareils à l'usine de Paderborn avec une forte intégration verticale et un contrôle qualité continu. La construction sur mesure, fondée sur l'URS respective, permet d'adapter précisément la thermorégulation, la géométrie de l'appareil, les surfaces, les joints, les matériaux, les points de mesure et l'automatisation à la tâche de production. Cette maîtrise de la fabrication soutient en même temps la disponibilité durable des pièces de rechange et la possibilité de rétrofit, car les composants et spécifications restent documentés et traçables même sur de longues durées d'exploitation.