Lit de poudre
Un lit de poudre est un amoncellement de particules de poudre, au repos ou en mouvement, dans un récipient ou sur une surface. Il se forme lorsque les particules s'agencent en un amoncellement sous l'effet de la gravité. Un lit de poudre peut fonctionner à l'air libre ou dans un environnement étanche aux gaz, par exemple sous atmosphère inerte. Il peut fonctionner à la pression ambiante, en surpression ou sous vide.
Les particules forment alors un milieu poreux présentant une porosité définie. Les gaz peuvent s'écouler à travers les vides. Cela permet le transfert de chaleur. De plus, un échange de matière peut avoir lieu.
ε = Vvide/ Vtotal
- Vvide est le volume entre les particules
- Vtotal est le volume total du lit de poudre
- ε est la porosité (pourcentage de volume vide, sans dimension)
De nombreuses opérations de génie des procédés peuvent être réalisées dans un lit de poudre. Il s'agit par exemple du mélange, du séchage, du chauffage, du refroidissement, de la réaction, de l'agglomération ou de la calcination. Il est essentiel que les particules puissent être considérées comme un matériau en vrac fluide.
Dans les installations de traitement, les lits de poudre se présentent sous des formes très variées. Citons par exemple les appareils à lit fluidisé, les fours rotatifs, les silos à mélange pneumatique, les mélangeurs de poudre mécaniques, les sécheurs-mélangeurs sous vide et les installations d'enrobage. Dans les procédés de fabrication additive (fusion sur lit de poudre), le lit de poudre doit par exemple être extrêmement homogène.
Dans un lit fluidisé, le lit de poudre est fluidisé par un flux de gaz venant du bas. Les particules flottent alors dans un état quasi-liquide et subissent des transferts de chaleur et de matière très intenses. Dans les fours rotatifs, le lit de poudre est mélangé par rotation et traité thermiquement sur toute la longueur du four.
À l'échelle macroscopique, le lit de poudre peut être décrit à l'aide de bilans de matière et d'énergie. L'évolution locale de la température peut par exemple être modélisée à l'aide d'un bilan énergétique incluant des transferts de chaleur par convection et par conduction. L'écoulement à travers le lit poreux peut être approximativement modélisé à l'aide d'équations de perte de charge telles que l'équation d'Ergun.
Δp = L · [150·(1−ε)2/ ε3·μ·u/(dp)2+1,75 (1−ε)/ε3·ρf·u2/dp]
- Δp est la perte de charge à travers le lit de poudre
- L est la longueur du lit ou la hauteur de remplissage dans le sens de l'écoulement
- ε est la porosité du lit (voir ci-dessus)
- μ est la viscosité dynamique du fluide
- u est la vitesse d'écoulement superficielle (apparente)
- dp est le diamètre moyen des particules
- ρf est la densité du fluide en écoulement
Un objectif important du procédé est d'obtenir une répartition des conditions aussi homogène que possible dans le lit de poudre. La température, l'humidité, la composition et la structure des particules doivent toutes se situer à l'issue du processus dans des tolérances étroites. Ce n'est qu'alors que l'on peut parler d'un produit final homogène. Un traitement de poudre n'est considéré comme achevé que lorsque le lit de poudre présente un tel produit final.