Mélangeur à boule

Les mélangeurs à billes sont des machines qui permettent d'homogénéiser ou de mélanger des poudres sèches, humides ou mouillées. Ils peuvent également mélanger des liquides. Ils sont généralement utilisés pour les processus de mélange par lots. L'intérieur de la sphère forme ce que l'on appelle la chambre de mélange. Un outil de mélange y tourne et mélange le produit à mélanger dans les trois dimensions. Ce processus de flux permet d'obtenir une très grande efficacité de mélange lorsque l'axe de rotation de l'outil de mélange n'est ni horizontal ni vertical. Le meilleur effet de mélange est obtenu avec une disposition inclinée. Les mélangeurs à billes peuvent également être utilisés comme réacteurs de synthèse ou séchoirs mélangeurs sous vide. Dans ce cas, la boule est à double paroi. La double enveloppe est traversée par un fluide caloporteur. Cela permet un échange de matière et de chaleur.

Les mélangeurs à billes sont équipés d'au moins un outil de mélange rotatif. Cela garantit le mélange complet de toute la charge. Des outils de mélange supplémentaires peuvent être fournis en option. Il s'agit généralement d'outils de hachage ou de coupe à rotation rapide. Ceux-ci ont un diamètre effectif plus petit et provoquent une désagglomération pendant le processus de mélange. Ils génèrent des effets de frottement et de choc. Cela permet de briser les agglomérats et les grumeaux.

Ils sont également très efficaces lorsque les poudres doivent être humidifiées ou enrobées, ou lorsque cela est nécessaire pour toutes les particules. Leur puissance est environ 3,5 fois supérieure à la fréquence de rotation.

Les fabricants de mélangeurs à billes ont mis au point différents modèles. Certains fabricants placent l'arbre de mélange en biais au-dessus de la boule, d'autres en biais en dessous. D'autres encore placent l'arbre de mélange en biais sous la boule. D'autres enfin placent l'arbre de mélange en biais au-dessus et l'outil de désagglomération supplémentaire en biais en dessous. Certains fabricants placent à la fois l'outil de mélange principal et l'outil de désagglomération au-dessus de la boule.

Outils de mélange principaux dans les mélangeurs à billes

Les fabricants de mélangeurs à billes ont mis au point différentes géométries d'outils. Certains ont conçu l'outil de mélange principal sous la forme d'un ancrage courbé dans l'espace. D'autres utilisent des spirales hélicoïdales. D'autres encore utilisent des outils en forme de pales. Il est essentiel que les outils de mélange tournant dans la boule soient toujours à la même distance de la paroi de la boule, quelle que soit leur position. Cette distance doit également être garantie lors du mélange de produits lourds ou adhérents. Les outils de mélange doivent donc être particulièrement stables.

Remplissage avec le produit à mélanger

Les composants à mélanger sont versés dans la chambre de mélange par le haut. Pour cela, au moins un raccord de remplissage est nécessaire. Certains mélangeurs à billes disposent également de plusieurs ouvertures de remplissage. La vanne d'arrêt peut être conçue au choix sous forme de clapet rotatif, de tiroir plat ou de tiroir à segment sphérique. Contrairement à la vanne de vidange, la vanne de remplissage ne doit pas fonctionner sans espace mort. Un raccord de purge est également situé sur la face supérieure de la sphère.

Vidange du produit à mélanger

Une vanne d'arrêt est située à l'extrémité inférieure de la chambre de mélange sphérique. Lorsqu'elle est fermée, elle doit avoir la forme d'une coupe sphérique. Seule une telle construction est exempte de zones mortes. Cela signifie que chaque partie du volume dans la sphère est mélangée, même directement au-dessus de la vanne d'arrêt.

Nettoyage et inspection de la chambre de mélange

Certains mélangeurs à sphères sont équipés de deux demi-sphères qui peuvent être ouvertes pour l'inspection. D'autres fabricants intègrent des portes d'inspection rondes ou ovales dans la chambre de mélange. Celles-ci doivent également être exemptes d'espace mort. Le modèle OmgaSeal^® a particulièrement fait ses preuves. Des buses de lavage rotatives sont installées dans la chambre de mélange pour le nettoyage humide. Il existe également des modèles dans lesquels les dispositifs de nettoyage humide restent en permanence dans le mélangeur.

Question : quels sont les avantages de la boule comme récipient de mélange ?

Le volume d'une boule de rayon r peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

La surface d'une sphère de rayon r peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

Si l'on compare différents corps à symétrie de révolution, la sphère présente la plus petite surface spécifique. Cela laisse supposer qu'une chambre de mélange sphérique est plus facile à nettoyer qu'une chambre de mélange cylindrique ou conique. D'un autre côté, on peut supposer qu'une chambre de mélange conique permet de mieux évacuer les résidus de mélange pulvérulents qu'une sphère. Les fabricants s'efforcent de produire leurs mélanges avec le moins de contamination possible. À cet égard, la vidange complète d'une installation de mélange joue un rôle de plus en plus important.

Si un mélangeur à sphères est rempli d'eau et que l'on souhaite calculer le volume d'eau en fonction du niveau de remplissage, la formule approximative suivante s'applique :

V(𝑧) = π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V : volume d'eau

z : niveau de remplissage

r : rayon intérieur de la sphère creuse

Comme la présence de l'outil de mélange n'est pas prise en compte, la formule ne fournit qu'une valeur approximative. Le volume d'eau réel est légèrement inférieur.

Nettoyage et inspection de l'outil de mélange

Le nettoyage de l'outil de mélange en mouvement dynamique est un aspect particulièrement important. Cette partie du mélangeur à billes est beaucoup plus complexe que la chambre de mélange. Elle est donc soumise à des exigences particulières. Sa forme doit répondre aux exigences techniques de flux d'une pale de mélange. Elle doit également être conforme aux exigences d'hygiène de l'EHEDG.

L'outil de mélange doit présenter une géométrie simple.

• L'outil de mélange doit favoriser la circulation des produits mélangés et éviter les effets de compactage.
• Cela doit s'appliquer aussi bien aux poudres finement dispersées qu'aux produits en vrac floconneux ou agglomérés.
• Cela vaut également pour les produits secs et fluidisables ainsi que pour les poudres humides et difficiles à écouler.
• L'outil de mélange doit présenter une surface aussi petite que possible.
• Il doit être conçu de manière à ce que toutes les zones soient facilement accessibles et ergonomiques.

Il est possible de trouver le type de mélangeur optimal pour chaque catégorie de mélange. Pour cela, nous vous recommandons de vous rendre chez amixon^®, où vous pourrez essayer les mélangeurs d'essai disponibles (cylindriques, sphériques, coniques, cycloïdaux).

• amixon^® vous offre des possibilités de premier ordre pour le mélange, l'humidification, le séchage et le déchargement de vos produits les plus divers.
• amixon^® recommande, en plus des essais de mélange, de procéder au nettoyage du mélangeur après l'essai.

Selon le type de produits à mélanger et le secteur d'activité, il convient d'utiliser des régimes de nettoyage adaptés. Cela concerne :

1. le nettoyage à sec
2. le nettoyage avec des chiffons humides
3. le nettoyage manuel humide
4. le nettoyage manuel humide
5. le nettoyage automatique humide.

Les types de nettoyage (2) à (5) incluent également le sujet important du séchage de l'eau résiduelle.

Il n'est pas rare que 2 ou 3 régimes de nettoyage soient utilisés en alternance dans une entreprise de mélange. En fonction du degré de salissure et de la tolérance à la contamination

Refroidissement après le nettoyage humide à l'eau chaude

Les clients de l'industrie alimentaire souhaitent souvent que le nettoyage humide automatique soit effectué uniquement à l'eau chaude. Ils souhaitent renoncer à tout type de tensioactif. Cela est possible si la température de l'eau de lavage est augmentée et si la pression de rinçage (débit et pression) est ajustée. Après le nettoyage, le mélangeur doit sécher le plus rapidement possible. Plus l'eau de nettoyage a été chauffée, plus le séchage est rapide.

En règle générale, le mélange doit ensuite être poursuivi. Cela n'est toutefois possible que lorsque le mélangeur a refroidi. En raison de sa conception sphérique, le refroidissement prend un peu plus de temps que pour les autres types de mélangeurs. La chaleur est évacuée par rayonnement thermique Q˙. Celle-ci peut être calculée approximativement à l'aide de la loi de Stefan-Boltzmann.

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙ : puissance thermique rayonnée en watts [W]

ε : émissivité de la surface (sans dimension, comprise entre 0 et 1)

σ : constante de Stefan-Boltzmann = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m² K⁴)

A : surface extérieure de la sphère en mètres carrés [m²]

T_s: température absolue de la surface de la sphère en kelvins [K]

T_u: température absolue de l'environnement en kelvins [K]

Estimation de la vitesse de refroidissement d'une sphère creuse

Diamètre de la sphère : 1 000 mm

Matériau : acier inoxydable 1.4404 (austénitique, V4A), extérieur et intérieur polis

Épaisseur de la paroi : 15 mm

Émissivité de la surface : 0,25

Température initiale : 70 °C

Température ambiante : 15 °C

Refroidissement à la température cible : 25 °C.

Deux mécanismes de transfert de chaleur doivent être pris en compte : le rayonnement thermique et la convection avec l'air. Leur puissance de refroidissement totale est d'environ 2 kW. D'un point de vue purement mathématique, le temps de refroidissement est de 4 à 5 heures. Comme la différence de température relative diminue progressivement, la courbe de refroidissement est asymptotique. Ce phénomène peut être facilement représenté par la fonction exponentielle suivante :

T(t) = T_amb + (T_start − T_amb) ⋅ e^−kt

T : évolution de la température

t : temps

T_amb: température ambiante

T_start : température initiale

k : coefficient de refroidissement, environ 8,59 × 10⁻⁵ 1/s

L'outil de mélange dans la sphère creuse est également chauffé par l'eau de lavage. Il ne peut refroidir rapidement que lorsque la chambre de mélange est ouverte. La vapeur qui s'échappe peut alors avoir un impact négatif sur l'environnement de production si la climatisation n'évacue pas l'humidité de l'air assez rapidement. Il peut donc être judicieux d'évacuer la vapeur de manière ciblée à l'aide d'air frais sec.

Ajout et répartition de liquide dans le mélangeur à billes

Dans la pratique, outre le mélange de poudres très diverses, il s'agit également d'assurer leur mouillage homogène. Des lances d'ajout de liquide débouchent dans la zone d'action de l'outil de broyage à rotation rapide. On obtient ainsi rapidement un produit final homogène et sans agglomérats.

amixon a publié de nombreux articles de blog sur ce sujet. Il s'agit de la tension superficielle des liquides et de leurs propriétés rhéologiques à des températures variables et sous l'effet de cisaillement. La porosité des produits en vrac joue également un rôle important. Les caractéristiques de la limite de phase entre les solides et les liquides, avec leurs manifestations d'hydrophobie et d'hydrophilie, sont tout aussi importantes.

Remarque concernant la désignation « mélangeur à billes ».

En réalité, le terme « mélangeur à sphères creuses avec outils de mélange à mouvement dynamique » serait plus approprié que « mélangeur à sphères ».

Le terme « mélangeur à sphères » est également utilisé dans le domaine sanitaire. Il s'agit d'un robinet modifié. Une sphère percée de plusieurs trous est reliée à un levier et permet de mélanger et de réguler l'arrivée d'eau froide et d'eau chaude.